Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRIESTE
XXVII CICLO DEL DOTTORATO DI RICERCA IN
SCIENZE DELLA RIPRODUZIONE E DELLO
SVILUPPO
STUDIO DELLE MUTAZIONI DI STAT1 NEI PAZIENTI CON CANDIDIASI
MUCOCUTANEA Settore scientifico-disciplinare: MED/03
DOTTORANDO Omar Scomodon COORDINATORE Prof. Giuliana Decorti SUPERVISORE DI TESI Prof. Raffaele Badolato
ANNO ACCADEMICO 2013 / 2014
~ 2 ~
INDICE
1. INTRODUZIONE ................................................................................................................ 5
1.1. CHRONIC MUCOCUTANEOUS CANDIDIASIS (CMC) ................................................ 5
1.1.1. LA CANDIDA E L’OSPITE ................................................................................... 6
1.1.2. DISORDINI MONOGENICI E CMC ..................................................................... 8
1.1.3. VARIANTI POLIMORFICHE E CMC .................................................................. 10
1.1.4. MUTAZIONI DI STAT1 COME CAUSA DI AUMENTATA SUSCETTIBILITÀ ALLE
INFEZIONI DA CANDIDA ................................................................................................ 12
1.1.5. VIE DI SEGNALE MEDIATE DA IL-12 e IFN-γ .................................................. 13
1.2. GLI INTERFERONI (IFNs) ......................................................................................... 15
1.3. SIGNAL TRANSDUCERS AND ACTIVATORS OF TRANSCRIPTION 1 (STAT1) .......... 18
1.3.1. ATTIVAZIONE DI STAT1 .................................................................................. 20
1.4. SIGNAL TRANSDUCER AND ACTIVATOR OF TRANSCRIPTION 5 (STAT5) ............. 23
2. SCOPO DEL LAVORO ...................................................................................................... 25
3. MATERIALI E METODI .................................................................................................... 26
3.1 PAZIENTI ................................................................................................................ 26
3.2. ANALISI GENETICHE ............................................................................................... 31
3.2.1. ESTRAZIONE DEL DNA DEL PAZIENTE............................................................ 31
3.2.2. AMPLIFICAZIONE DEL GENE STAT1 ............................................................... 32
3.2.3. PURIFICAZIONE DA ENZIMI E PRIMERS ........................................................ 34
3.2.4. PCR DI SEQUENZA .......................................................................................... 35
3.2.5. PRECIPITAZIONE PCR DI SEQUENZA E SEQUENZIAMENTO .......................... 35
3.3. BIOLOGIA CELLULARE ............................................................................................ 36
3.3.1. ISOLAMENTO PBMC ...................................................................................... 36
3.3.2. LINEE EBV ....................................................................................................... 38
3.3.3. LINFOCITI T ..................................................................................................... 38
3.3.4. ALLESTIMENTO DI COLTURE DI TH17 ............................................................. 39
3.3.5. ESPANSIONE E STIMOLAZIONE TH17 ............................................................. 40
3.3.6. ALLESTIMENTO DI COLTURE DI CELLULE NK ................................................. 41
3.3.7. U3C ................................................................................................................. 41
3.4. ANALISI BIOCHIMICHE-FUNZIONALI ..................................................................... 42
~ 3 ~
3.4.1. CITOFLUORIMETRIA ....................................................................................... 42
3.4.2. STAINING INTRACELLULARE DEI TH17 ........................................................... 44
3.4.3. MARCATURA DELLE PROTEINE INTRACELLULARI FOSFORILATE .................. 44
3.4.4. IMMUNOFENOTIPIZZAZIONE ........................................................................ 45
3.4.5. VALUTAZIONE DELLA PRODUZIONE DI IFN-γ DELLE CELLULE NK ................. 47
3.4.6. TEST DI DEGRANULAZIONE DELLE CELLULE NK ............................................ 48
3.4.7. SAGGIO EMSA ................................................................................................ 48
3.4.8. SAGGIO DELLA LUCIFERASI ............................................................................ 49
3.4.9. SAGGIO DI PROLIFERAZIONE ......................................................................... 52
3.5. ANALISI DI BIOLOGIA MOLECOLARE ..................................................................... 53
3.5.1. PREPARAZIONE DEGLI ESTRATTI PROTEICI TOTALI ...................................... 53
3.5.2. QUANTIFICA DELLA CONCENTRAZIONE PROTEICA MEDIANTE METODO
BRADFORD ..................................................................................................................... 53
3.5.3. SEPARAZIONE ELETTROFORETICA DI PROTEINE IN SDS-PAGE ED ANALISI
MEDIANTE WESTERN BLOTTING ................................................................................... 54
3.5.4. MUTAGENESI ................................................................................................. 55
3.5.5. DIGESTIONE DELL’AMPLIFICATO CON Dpn I ................................................. 57
3.5.6. TRASFORMAZIONE DEI BATTERI ................................................................... 57
3.5.7. ESTRAZIONE DEL DNA PLASMIDICO DAI BATTERI ........................................ 58
4. RISULTATI ....................................................................................................................... 59
4.1 PAZIENTI ...................................................................................................................... 59
4.2 CARATTERIZZAZIONE GENETICA DEI PAZIENTI AFFETTI DA CMC ........................ 63
4.3 CARATTERIZZAZZIONE IMMUNOLOGICA DEI PAZIENTI AFFETTI DA MUTAZIONI
IN STAT1 ............................................................................................................................. 65
4.4 LE NUOVE MUTAZIONI PORTANO A UN’ AUMENTO DEI LIVELLI DI
FOSFORILAZIONE DI STAT1 ............................................................................................... 68
4.5 VALUTAZIONE DELLA SOTTOPOPOLAZIONE TH17 NEI PAZIENTI CON MUTAZIONI
NEL GENE STAT1 ................................................................................................................ 70
4.6 EFFETTO DELLE MUTAZIONI SULLA CAPACITÀ DI STAT1 DI LEGARE IL DNA ....... 72
4.7 LE NUOVE MUTAZIONI L351F E L400V PORTANO A UN’AMUNETO DI ATTIVITA’
DI STAT1 ............................................................................................................................. 74
4.8 EFFETTO DELLE MUTAZIONI GOF DI STAT1 SULLA PROLIFERAZIONE DELLE
CELLULE NK ........................................................................................................................ 76
~ 4 ~
4.9 VALUTAZIONE DELL’ATTIVITÀ CITOTOSSICA DELLE CELLULE NK DEI PAZIENTI
CON MUTAZIONI GOF DI STAT1 ........................................................................................ 77
4.10 LE CELLULE NK DEI PAZIENTI GOF DI STAT1 STIMOLATE CON IL15 PRODUCONO
MENO IFN-γ ....................................................................................................................... 78
4.11 ATTIVAZIONE DI STAT1 E DI STAT5 NEI PAZIENTI CON MUTAZIONE DI STAT1 ... 79
5. DISCUSSIONE .................................................................................................................. 82
6. CONCLUSIONI ................................................................................................................. 88
7. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 89
~ 5 ~
1. INTRODUZIONE 1.1. CHRONIC MUCOCUTANEOUS CANDIDIASIS (CMC)
La Candida albicans è un fungo saprofita appartenente alla famiglia dei
Saccaromiceti. In soggetti sani questo fungo è un normale componente della flora
del tratto gastrointestinale. Può dare infezioni a livello delle mucose, della pelle e
delle unghie quando il soggetto è immunodepresso. In soggetti che sviluppano
queste infezioni in modo frequente si parla di Candidiasi Cronica Mucocutanea
(CMC).
Quando l’immunodepressione è così severa da portare ad un’ invasione del torrente
circolatorio da parte del fungo si parla di candidemia: una condizione patologica con
un alto tasso di mortalità: 26-60%. Il 92% delle infezioni sistemiche è preceduto da
un trattamento con antibiotici ad ampio spettro che provoca l’eliminazione della
flora batterica che fisiologicamente protegge le mucose dall’eccessiva espansione
del fungo. Altri casi in cui si sviluppano queste infezioni sono i soggetti che
presentano una immunodeficienza secondaria, quali: soggetti affetti da AIDS,
pazienti oncologici o soggetti che hanno subito una deplezione del midollo osseo
precedente ad un trapianto di HSCs (Hematopoietic Stem Cells), pazienti trattati con
corticosteroidi inalatori o orali, pazienti con diabete mellito e pazienti con carenza
di ferro non associata a anemia. In generale, anche i lunghi degenti vanno incontro
frequentemente a infezione da Candida: infatti il fungo può aderire alla parete di
svariati dispositivi medici come cateteri centrali venosi, pacemakers etc.
Spesso, questa aumentata suscettibilità alle infezioni da Candida albicans fa parte di
un quadro clinico più ampio, nel quale c’è un’ alterazione generale dell’immunità
associata ad una disfunzione organo-specifica (per esempio alterazioni nella
funzionalità della tiroide).
~ 6 ~
Figura 1.1. Rappresentazione dell’attivazione del sistema immunitario da parte della Candida. Vie di segnale che coinvolgono le proteine fin’ora conosciute come causa dell’aumentata suscettibilità a Candida. (John Wiley and Sons, Ltd on behalf of EMBO. EMBO Mol Med (2013) 5).
Il trattamento d’elezione è una terapia antifungina ed una immunoterapia come
adiuvante per evitare l’instaurarsi di candidiasi croniche diffuse che potrebbero
portare a gravi conseguenze per il paziente.
1.1.1. LA CANDIDA E L’OSPITE
La parete cellulare della Candida albicans è costituita da due componenti: una
componente interna formata da polisaccaridi come la chitina, 1,3β-glucani e 1,6β-
glucani e una componente esterna che è in grado di attivare il nostro sistema
immunitario. Infatti questo fungo, espone proteine altamente mannosilate che
appartengono alla famiglia dei Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMPs)
che sono riconosciute dai Pattern Recognition Receptors (PRRs) come i Toll Like
Receptors (TLRs) e i C-type Lectin Receptors (CLRs), molecole espresse dalle Antigen
Presenting Cells (APC).
Quando la Candida viene riconosciuta dai TLRs e dai CLRs si ha l’attivazione di NFκB
che porta alla produzione di alcune citochine. L’attivazione delle citochine IL-1β e IL-
18 avviene grazie a NLRP3 e all’attivazione dell’inflammasoma.
~ 7 ~
Figura 1.2. Attivazione delle difese immunitarie in risposta a infezioni da Candida. L’infezione induce la produzione di defensine da parte dell’epitelio e stimola il differenziamento delle cellule TH17.(Candida albicans morphogenesis and host defence: discriminating invasion from colonization. Nature Reviews Microbiology 10, 112-122 (February 2012)).
IL-18, così come IL-12, promuove il differenziamento verso la linea TH1, mentre l’IL-
10 la sopprime. IL-10 e IL-4 promuovono, invece, il differenziamento verso la linea
TH2. IL-1β, IL-23 e IL-6 infine, guidano lo sviluppo dei linfociti TH17, i maggiori
produttori di IL-17. Queste citochine sono riconosciute da specifici recettori che
utilizzano come proteine adattatrici STAT1, STAT3 e TYK2.
La C. albicans è anche in grado di attivare l’immunità innata mediante l’attivazione
del fagociti, attraverso al NOD-like receptor family, pyrin domain containing 3
(NLRP3) che è una proteina appartenente al complesso dell’ inflammasoma. Questo
complesso proteico è costituito anche dalla caspasi1 che è in grado di operare un
taglio
proteolitico a livello dei precursori di IL-1β e IL-18 portando alla formazione delle
loro forme attive. (Figura 1.2).
Le citochine prodotte dai linfociti TH17 che sono maggiormente coinvolte nella
difesa nei confronti della Candida sono IL-17 e IL-22. L’IL-17 attiva i granulociti
neutrofili che quindi sono in grado di eliminare il fungo; l’IL-22, invece, induce gli
epiteli a produrre defensine: molecole che sono in grado di neutralizzare la Candida.
~ 8 ~
Questa produzione può anche essere indotta direttamente dalle ife del fungo
mediante pathway coinvolgenti le Mitogen Activated Protein Kinases (MAPK)
(Figura 1.2).
1.1.2. DISORDINI MONOGENICI E CMC
Sono state individuate alcune alterazioni monogeniche causative della CMC (Tabella
1.3).
Gene Mutation Inheritance Phenotype Disease
AIRE R257X AD Autoantibodies against IL17
and IL22
CMC
CARD9 Q295X
Q289X R101C
AR
AR
Reduced TNFα production and
TH17 cells
Reduced TH17 cells
Reduced TH17 cells
CMC
Invasive
dermatophtyc disease
CD25 Deletion (60-64) AR REduced number of CD4+ cells Candida esophagitis
DOCK8 Multiple deletions
and point mutations
AR Reduced TH17 cells HIES
IL12Rβ
1
Multiple points
mutations
AR Low levels of IFNγ Mucosal candidiasis
IL17RA Q284X AR Absent IL6 and GRO-a
production
CMC
IL17F S65L AD Reduced IL6 and GRO-a
production
CMC
STAT1 R274W A267V AD Reduced IL17 production, IL22
and IFNγ production
CMC
STAT3 Multiple points AD Reduced IL17 production HIES
TYK2 Deletion(550-553) AR Reduced TH1 and type I IFN
response
HIES
Tabella 1.3. Disordini monogenetici associati a CMC. Geni coinvolti nella CMC, le rispettive mutazioni, la modalità di trasmissione e le evidenze fenotipiche. AD: Autosomica Dominante; AR: Autosomica Recessiva; HIES: Hyper-IgE Syndrome.
~ 9 ~
I geni coinvolti nella CMC con trasmissione autosomica dominante sono STAT1, IL-
12 e IL-23R. La forma autosomica recessiva (AR) è associata a mutazioni nel gene
AIRE fondamentale per lo sviluppo della tolleranza al self. Mutazioni a carico del
gene AIRE causano la Sindrome Poliendocrina Autoimmune di tipo I (APECED)
caratterizzata da poliendocrinopatie autoimmuni, quali morbo di Addison, diabete
di tipo I e infezioni da Candida che non recedono con la terapia. In questo caso la
base patogenetica della CMC risiede nel fatto che il soggetto produce auto-anticorpi
contro IL-17E, IL-17F e IL-22.
Anche mutazioni in eterozigosi in IL-17RA e in omozigosi in IL-17F sono state trovate
in pazienti con CMC causando una diminuita attività biologica dell’ IL-17F,
sottolineando quindi il ruolo fondamentale di questa citochina nella difesa contro la
Candida.
Sono inoltre state individuate mutazioni in recettori per citochine: quali CD25 la
sub-unità α dell’IL-2R e IL-12Rβ1, dimostrando quindi che anche IL-2 è
fondamentale per il corretto sviluppo dei linfociti T e per una corretta risposta anti
Candida.
Altri pazienti che presentano CMC sono quelli con sindrome da Iper IgE HIES
caratterizzata da elevati livelli sierici di IgE, infezioni polmonari e cutanee da S.
aureus e ricorrenti infezioni da Candida legata a mutazioni con effetto dominante
negativo in STAT3 o a mutazioni in omozigosi in Dock8 proteina fondamentale per la
polarizzazione dei TH17. Anche mutazioni nel gene TYK2 possono causare CMC.
Altre mutazioni associate alla CMC sono autosomiche recessive nel gene Card9,
Caspase Recruitment Domain 9. Queste mutazioni determinano la formazione di
una proteina tronca, e quindi non funzionale. Card9 normalmente è reclutata dopo
la fosforilazione di Dectin1 da parte di Syk (Spleen Tyrosine Kinase) ed è
fondamentale per l’attivazione di NFκB e lo sviluppo di una risposta antifungina.
Esistono, poi, forme autosomiche dominanti date da mutazioni Gain of Function in
STAT1. In questo caso l’allele mutato causa un aumento della quota di STAT1
fosforilata all’interno della cellula e questi elevati livelli della proteina fosforilata
sono in grado di portare ad un aumento della capacità di binding a GAF tale da
~ 10 ~
potenziare le vie di segnale mediate da STAT1. In associazione a queste evidenze
pazienti affetti da queste mutazioni mostrano un marcato deficit della
sottopopolazione TH17 fondamentale per la risposta immunitaria anti Candida.
Le vie attraverso le quali le forme GOF di STAT1 possano interferire con il corretto
sviluppo di questa sottopopolazione non sono ancora del tutto chiare ma si pensa
che la quota di STAT1 mutata possa interferire negativamente sulle vie mediate da
STAT3 fondamentali per il corretto sviluppo delle cellule TH17.
Inoltre è stato visto che le cellule mononucleate di questi pazienti rispondono meno
alla stimolazione con Candida e producono una minor quantità di IFN-γ, IL-17 e IL-
22.
La produzione di IFN-γ, in risposta a stimoli mitogeni è invece normale, come anche
la produzione di IL-6 dopo stimolazione con IL-1β. Poiché è normale anche il
pathway attivato da IFN-γR, questi pazienti non mostrano una aumentata
suscettibilità alle infezioni da virus e micobatteri, cosa che invece accade nei
pazienti con mutazioni Loss of Function di STAT1.
Fonti: 25; 26.
1.1.3. VARIANTI POLIMORFICHE E CMC
Esistono diverse varianti genetiche che determinano un’aumentata suscettibilità
alle infezioni da Candida. E’ stata identificata una variante a carico del gene Dectin1
che determina la formazione di una proteina tronca con un difettivo riconoscimento
dei β-glucani e una ridotta risposta TH17. Questo porta ad un’ aumentata
suscettibilità alle candidiasi mucosali, ma non sistemiche.
Inoltre, sono stati riscontrati polimorfismi in diversi geni TLR1, TLR2, TLR4, MBL2, IL-
10, IL-12b e DEFB1, che portano a un aberrante funzionalità delle rispettive proteine
codificate tale da determinare un aumento dell’ incidenza di infezioni sostenute da
Candida (Tabella 1.4).
~ 11 ~
Gene SNP Phenotype Disease
DECTIN1 Y238X (rs16910526) Decreased IL-1β and TH17 responses Candida colonization
DEFB1 44C/G (rs1800972) Unknown Candida carriage
IL4 589T/C (rs2243250)
1098T/G (rs2243248),
589C/T (rs2243250), 33C/T
(rs2070874)
Increased vaginal IL-4, reduced NO
and MBL levels Unknown
RVVC
Chronic disseminated
candidiasis
IL10 1082A/G (rs1800896)
Higher Candida-induced IL-10
production
Persisting
candidemia
IL12β 2724INS/DEL (rs17860508)
Lower Candida-induced IFN-γ
production
Persisting
candidemia
MBL2 Variable number of tandem
repeats in intron 4 Reduced vaginal MBL levels RVVC
NLPR3 Length polymorphism Impaired IL-1β production RVCC
PTPN22 R620W (rs2476601) Unknown
Increased risk for
CMC
TLR1 R80T (rs5743611),
S248N (rs4833095),
I602S (rs5743618)
Decreased production of IL-1β, IL-6
and IL-8 after TLR1-TLR2 stimulation
Increased
susceptibility to
candidemia
TLR2
R753Q (rs5743708) Decreased levels of IFN-γ and IL-8
Increased
susceptibility to
candidemia
TLR3 L412F (rs3775291) Decreased IFN-γ levels
Increased risk for
CMC
TLR4 D299G (rs4986790),
Y399I (rs4986791) Increased IL-10 production
Increased
susceptibility to
candidemia
Tabella 1.4. Comuni varianti genetiche associate allo sviluppo di CMC. In tabella sono riportati i geni presentanti varanti polimorfiche che possono contribuire ad aumentare la suscettibilità a C. albicans.
Fonti: 31; 32; 29; 30; 31; 32;33;34.
~ 12 ~
1.1.4. MUTAZIONI DI STAT1 COME CAUSA DI AUMENTATA SUSCETTIBILITÀ
ALLE INFEZIONI DA CANDIDA
La candidiasi mucocutanea cronica può essere associata ad alterazioni in geni
diversi, ma recentemente è stato dimostrato il coinvolgimento anche del gene
STAT1 con mutazioni a trasmissione autosomica dominante (Figura1.5).
Poiché, in questo caso, le mutazioni conferiscono una maggiore funzionalità alla
proteina, sono definite mutazioni Gain of Function. (Ricordiamo che le alterazioni
genetiche in STAT1 che determinano aumentata suscettibilità ai micobatteri e ai
virus sono invece mutazioni Loss of Function).
Tutte le mutazioni fino ad oggi riscontrate in questi pazienti sono localizzate
prevalentemente nel Dominio Coiled-Coil e nel Dominio di DNA Binding della
proteina e portano ad una maggiore resistenza alle fosfodiesterasi da parte della
proteina STAT1 fosforilata.
Questi pazienti a causa dell’ aumento della quota di STAT1 fosforilato che si
localizza sia a livello nucleare che citoplasmatico presentano uno squilibrio
nell’immunità IL-17 mediata.
Infatti, le cellule dei pazienti affetti da CMC hanno una maggiore risposta, in termini
di attivazione trascrizionale a citochine quali IFN-α, IFN-β, IFN-γ, IL-27. Queste
molecole attivano preferenzialmente STAT1 e inibiscono la polarizzazione verso i
TH17. Per questo motivo, si osserva una quasi totale assenza della sottopopolazione
linfocitaria TH17 con conseguente aumento della suscettibilità alla Candida.
In alcuni soggetti affetti da mutazioni GOF di STAT1 si manifestano anche dei
fenomeni di autoimmunità che portano allo sviluppo di disfunzioni tiroidee o lupus
sistemico eritematoso (LES). Queste manifestazioni sono probabilmente da
imputare ad un potenziamento della risposta agli IFNs di tipo I.
Va ricordato, che diversamente dai pazienti affetti da APECED, i pazienti con CMC
non presentano autoanticorpi anti IL-17 nel siero.
~ 13 ~
Figura 1.6. Pathway di IL-12. Il legame al recettore determina l’attivazione delle chinasi associate al recettore stesso, e alla conseguente attivazione di STAT4, che quindi, come omodimero induce la trascrizione di INF-γ. (Clin. Exp. Immunol. 121, 417-425, with permission from Blackwell Publishing, Oxford, UK.)
Figura 1.5. Visualizzazione schematica del gene STAT1 e delle posizioni delle mutazioni note nella CMC. Gli esoni sono indicati in numero romano. La regione CC è la coiled-coil, la DNA-B è quella legante il DNA, L è il linker domain, SH2 è l’Src Homology2 Domain, TS è il tail segment domain e TA il transactivator domain: queste sono delimitate dalle righe spesse. Le mutazioni in rosso sono dominanti e associate a una gain of function di STAT1 e correlano con il fenotipo clinico della CMC. (Gain-of-function human STAT1 mutations impair IL-17 immunity and underlie chronic mucocutaneous candidiasis. Liu et al. 2011).
1.1.5. VIE DI SEGNALE MEDIATE DA IL-12 e IFN-γ
Alcune forme di PIDs possono essere causate da alterazioni della funzionalità di
proteine coinvolte nelle vie di trasduzione del segnale attivate da IL-12 e IFN-γ.
L’IL-12 è una molecola costituita da due subunità proteiche: IL-12B (IL12-p40) e IL-
12A (IL-12p35). Questo etero-dimero viene legato dal recettore specifico (un
eterodimero costituito da IL-12Rβ1 e IL12-Rβ2) espresso a livello della membrana
cellulare di diversi tipi cellulari portando a diversi effetti biologici (Figura 1.6 e 1.7).
Il legame con il recettore
espresso sui linfociti T e
sulle cellule NK determina
una risposta intracellulare
che porta alla produzione
finale di IFN-γ mediante
l’attivazione di TYK2 e
JAK2, due chinasi
rispettivamente legate al
versante citoplasmatico di
IL12R-β1 e IL12R-β2 che
portano all’attivazione di
STAT4 (Signal
Transducing Protein 4)
~ 14 ~
fattore trascrizionale per il gene che codifica per IFN-γ.
A livello delle cellule NK e dei linfociti T CD8+ l’IL-2 determina anche un aumento
della loro attività citolitica.
L’IFN-γ a sua volta interagisce con il proprio recettore eterodimerico (IFN-γR1 e IFN-
γR2) espresso sulla membrana delle cellule mononucleate. In questo caso le chinasi
associate al recettore che si attivano sono JAK1 e JAK2, rispettivamente legate alle
code citoplasmatiche delle subunità di IFN-γR1 e IFN-γR2, e portano all’attivazione
del Signal Transducer and Activator of Transcription 1 (STAT1) che viene fosforilato
in due residui aminoacidici (tirosina701 e serina727), con conseguente formazione
di un omodimero (GAF, Gamma Activating Factor) che trasloca nel nucleo e attiva la
trascrizione di specifici geni.
Nei fagociti, GAF attiva anche la trascrizione di IL-12 e determina la neutralizzazione
di microorganismi come i micobatteri. L’IFN-γ è quindi la citochina fondamentale
per la corretta attivazione macrofagica, e inoltre permette l’attivazione dei linfociti
T: l’ IFN-γ attiva direttamente i linfociti T in quanto esprimono il recettore specifico
per questa citochina e indirettamente stimola i macrofagi che secernono citochine
come TNF-α e IL-12 che agiscono anch’esse sui linfociti T.
Tutti i geni che codificano per le proteine precedentemente descritte presentano un
alto grado di eterogeneità in quanto sono state identificate più mutazioni in
Figura 1.7. Attività biologiche dell’IL-12. Principali effetti dell’IL-12 su diversi tipi cellulari del SI. (Cellular and Molecular Immunology, Abul K. Abbas).
~ 15 ~
ciascuno di essi ed ognuna è stata associata a diversi tratti mendeliani che
differiscono per espressione fenotipica, ereditarietà e prodotto proteico alterato.
Queste alterazioni possono portare ad una maggiore suscettibilità verso
microorganismi come micobatteri e funghi, il cui riconoscimento e neutralizzazione
sono mediati dalle molecole precedentemente menzionate.
Fonti: 2; 1; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 19; 20; 21; 22; 22; 23; 24; 25; 26; 27; 28.
1.2. GLI INTERFERONI (IFNs)
Gli interferoni (IFNs) sono delle citochine il cui ruolo fondamentale è quello di
inibire la proliferazione cellulare, indurre la resistenza all’infezione della cellula da
parte dei virus, regolare la crescita di diversi tipi cellulari del sistema immunitario e
l’angiogenesi.
Esistono tre classi di interferoni:
o IFNs di tipo I: ovvero IFN-α/IFN-β/IFN-ω;
o IFNs di tipo II: ovvero IFN-γ
o IFNs di tipo III: IFN-λ.
L’IFN-α comprende una famiglia di circa 20 proteine prodotte per lo più dai linfociti
B, linfociti T e cellule NK.
L’IFN-β è un’unica proteina, prodotta da diversi tipi cellulari, fra i quali fibroblasti e
cellule epiteliali.
L’IFN-γ è secreto dai linfociti T attivati e dalle cellule NK in risposta alla IL-12 e IL-18.
L’IFN-α e l’IFN-β sono fondamentali per la risposta antivirale. Questa risposta si
esplica mediante il blocco della proliferazione delle cellule infettate, della
trascrizione dell’mRNA e della replicazione del DNA. L’IFN-γ sembra avere un ruolo
marginale nella difesa dai virus, mentre, svolge un ruolo cruciale per l’attivazione
macrofagica, sia nella risposta immunitaria innata che adattativa.
Come tutte le citochine, la funzione degli interferoni è legata alla capacità di legare
specifici recettori espressi su specifiche cellule target.
~ 16 ~
I recettori per gli IFNs di tipo I sono formati da almeno due subunità: IFNAR1
(110KDa) e IFNAR2 che può essere presente in due forme (IFNAR2b, 51KDa, e
IFNAR2c, 90-110KDa derivate da splicing alternativo).
La principale via di trasduzione attivata da questi recettori è la via JAK/STAT.
Associate alle proteine IFNAR1 e IFNAR2 vi sono TYK2 e JAK1 che una volta attivate
fosforilano il recettore a livello intracitoplasmatico e le proteine STATs (STAT1,
STAT2, STAT3, STAT4, STAT5).
Le STATs attivate dalla fosforilazione possono formare omo o eterodimeri e
traslocare nel nucleo dove attivano uno specifico programma trascrizionale.
Nei macrofagi attivano geni coinvolti nella fagocitosi, come l’ossidasi fagocitica e
l’ossido nitrico sintasi inducibile; nei linfociti B promuovono lo switch di classe; a
livello dei CD4+ inducono il differenziamento verso i TH1, mentre inibiscono quello
verso i TH17 e i TH2.
Gli eterodimeri formati da STAT1 e STAT2 si legano a IRF9 (p48) e formano il
complesso ISGF che trasloca nel nucleo dove attiva la trascrizione di ISREs
(Interferon Stimulated Response Elements).
Gli omodimeri formati da STAT1, STAT3 e STAT5, come gli eterodimeri STAT1-STAT3
e STAT2-STAT4, legano sequenze palindromiche a livello del DNA nucleare,
fondamentali per la risposta antivirale determinando il blocco della proliferazione
cellulare, della trascrizione dell’mRNA e della replicazione del DNA.
Gli IFNs di tipo I mediano anche l’aumento dell’espressione di molecole dell’MHC di
classe I e la diminuzione di quelle di classe II e inducono la formazione di TH1
(dovuta all’aumento dei recettori per IL-12 nei linfociti T che determina un aumento
della produzione degli IFNs).
I recettori degli IFNs di tipo II sono formati dalle subunità IFNGR1 (90KDa) e IFNGR2
(62KDa). Anche loro attivano la via di trasduzione intracellulare mediata da
JAK/STAT. In questo caso, le chinasi JAK1 e JAK2 sono reclutate dal recettore solo in
seguito al legame col ligando: JAK1 si associa a IFNGR1, mentre JAK2 si associa a
IFNGR2.
~ 17 ~
In questo modo JAK1 fosforila la tirosina 440 del dominio intracellulare di IFNGR1
che è quindi sito di richiamo per STAT1. STAT1 viene quindi fosforilata da JAK2 nella
tirosina 701 e nella serina 727.
Due molecole di STAT1 fosforilate possono formare un omodimero che trasloca nel
nucleo e lega specifiche sequenze Gamma Activated Sequence (GAS) sul DNA
attivando uno specifico programma trascrizionale.
L’IFN-γ è anche in grado di portare alla formazione del complesso STAT1-STAT2-IRF9
inducendo così la trascrizione delle ISREs: questo suggerisce che l’IFN-γ condivide
alcune funzioni con gli IFNs di tipo I.
Inoltre l’IFN-γ determina un aumento dell’espressione delle proteine del
complemento, un’attivazione non specifica di granulociti e monociti, un aumento
della produzione di TNF-α, IL-12 e una diminuzione della produzione di IL-4. A livello
dell’immunità adattativa, causa un aumento dell’espressione delle molecole di MHC
I e II sulle APC, un’ attivazione della produzione di anticorpi e lo switch di classe
nelle plasmacellule.
L’IFN-γ determina anche una diminuzione di C-MYC e dei fattori trascrizionali
fondamentali per la progressione nel ciclo cellulare e induce l’apoptosi in cellule
esprimenti un alto numero di IFNGR2.
Inoltre, l’IFN-γ, sinergizza con il signalling attivato dall’LPS (LipoPolisaccaride S), in
quanto promuove l’attivazione dell’NFκB mediata da STAT1.
A livello dei fagociti promuove l’uccisione del micobatterio (aumentando la
fagocitosi recettore-mediata, la pinocitosi e la produzione di NO).
I recettori degli IFNs di tipo III sono costituiti da una subunità definita a bassa
affinità (IL-10R2) in quanto può legare anche altre citochine, come IL-10, IL-22 e IL-
26, e una sub-unità ad alta affinità (IFNLR1), la cui espressione è ristretta alle cellule
epiteliali e che lega solo IFN-λ. Questo complesso recettoriale utilizza la via di
trasduzione del segnale JAK-STAT utilizzata dall’IFN di tipo I (Figura 1.8).
~ 18 ~
Fonti: 29; 31;.
1.3. SIGNAL TRANSDUCERS AND ACTIVATORS OF TRANSCRIPTION 1
(STAT1)
STAT1 è stato scoperto come mediatore dell’IFN-α, in seguito è stato visto che è
importante anche per le risposte mediate da IFN-γ. STAT1 è un attivatore
trascrizionale appartenente alla famiglia delle STATs. Questa famiglia include: STAT1
e STAT4 posti sul cromosoma 2, STAT2 e STAT6 sul cromosoma 12, STAT3, STAT5A e
STAT5B sul cromosoma 17. L’mRNA di STAT1 viene sottoposto a splicing alternativo
e si ottengono così due isoforme: STAT1α (91KDa) e STAT1β (84KDa).
L’isoforma β è più corta in quanto mancante di una parte del dominio di
transattivazione (TAD), ma presenta comunque, in comune con la forma α, i due
principali siti di fosforilazione: tirosina 701 e serina 727.
La proteina codificata è formata da 750 aa e presenta 6 domini strutturali: (Figura
1.9).
Figura 1.8. Trasduzione del segnale delle tre tipologie di IFNs. Il legame del recettore con il proprio ligando determina l’attivazione della trasduzione del segnale via JAKs-STATs che porta alla trascrizione di specifici geni. ( Schneider et al Annu.Rev.Immunol. 2014;32:513-545).
~ 19 ~
o NH2 Terminal Domain NH2 term (aa 1-134): implicato nella traslocazione
nucleare della proteina, nell’interazione con alcuni coattivatori e nel
mantenimento della corretta conformazione;
o Coiled Coil Domain CCD (aa 135-317): formato da 4 α-eliche, media le
interazioni con alcune proteine regolatorie come, IRF9 e PIAS, ed è
importante nel legame al recettore e nell’esportazione dal nucleo;
o DNA Binding Domain DBD (aa 318-488): formata da β sheets ed è quella che
lega il DNA;
o Regione Linker L( aa 489-576): determina la corretta struttura
tridimensionale;
o SH2 domain, SRC homology 2 SH2 (aa 577-683): implicato nella
dimerizzazione in quanto riconosce la tirosina 701 fosforilata sull’altro
monomero (Figura 1.10);
o Transactivation domain TA (aa 684-750): contiene la tirosina 701, ed è posto
al C-terminale.
Figura 1.9. Schema dei domini funzionali di STAT1. Sono mostrati il dominio N-terminale, il dominio coiled-coil, il dominio di binding al DNA, il dominio linker, il dominio SH2 e infine, al C-terminale il dominio di transattivazione.(Warren J. Leonard. Nature Reviews
Immunology 1, 200-208 December 2001).
~ 20 ~
Figura 1.10. Struttura tridimensionale dell’omodimero STAT1-STAT1 rappresentata nel modello a nastro. Interazione fra il dominio SH2 di uno STAT1 e la tirosina 701 fosforilata dell’altro monomero STAT1. Il DNA binding domain interagisce con il DNA, mentre il dominio N-terminale stabilizza la struttura.
1.3.1. ATTIVAZIONE DI STAT1
STAT1 rappresenta l’effettore d’elezione degli interferoni, ma anche altre
interleuchine come IL-2, IL-6 e alcuni fattori di crescita come l’Epidermal Growth
Factor (EGF) e il Platelet Derived Growth Factor (PDGF) possono attivarlo.
Qualunque sia lo stimolo attivatorio, l’evento chiave è la fosforilazione della tirosina
701, che può così dimerizzare grazie all’interazione con il dominio SH2.
Altri meccanismi entrano in gioco nell’attivazione di STAT1, per esempio
l’acetilazione di PIAS1 (Protein Inhibitor of Activated STAT1) da parte di PRMT1
(Protein Arginine N-MethylTransferase 1) determina un’aumentata affinità di STAT1
per il DNA. Invece, la de-fosforilazione di STAT1 è favorita dalla acetilazione della
leucina sullo STAT.
STAT1 attivato per svolgere la sua funzione deve traslocare nel nucleo. L’importo
nucleare dopo stimolazione con gli interferoni è rapida, circa 1 minuto.
Questo trasporto avviene grazie a proteine quali importina-α e importina-β che
interagiscono con la Sequenza di Localizzazione Nucleare (NLS) posta nel DBD di
STAT1. Per la corretta conformazione sono fondamentali anche la leucina 407 e il
~ 21 ~
dominio N-terminale. Per l’esporto, STAT1 deve essere de-fosforilato nella tirosina
701: questa de-fosforilazione è impedita quando STAT1 è legato al DNA.
Le sequenze di esporto nucleare (NES), sempre poste nel dominio di legame al DNA,
interagiscono con l’esportina 1 che è una proteina appartenente al complesso di
esperto nucleare di proteine ad alto peso molecolare.
In cellule non stimolate STAT1 è presente costitutivamente nel citoplasma e nel
nucleo in forma di dimeri non fosforilati in due conformazioni: una conformazione
antiparallela dove il dominio coiled-coil interagisce con il dominio di legame al DNA;
e una conformazione parallela dove i due domini N-terminali interagiscono fra loro.
STAT1 funzionalmente attivo lega il DNA in una sequenza di 8-10bp che presentano
una STAT-consensus TTN4-6AA.
Sono state identificate due sequenze specifiche per STAT1: Gamma Interferon
Activated Sequence (GAS) e Interferon Stimulated Response Element(ISRE).
GAS è una sequenza palindroma e interagisce soprattutto con il complesso GAF.
ISRE è formata da ripetizioni di un motivo separate da due nucleotidi. Talvolta sono
richieste entrambe le sequenze. (Tabella 1.11, Figura 1.12).
Sequence Name Interactor
5’ -TTCNNNT/GAA- 3’ Consensus GAS GAF
5’ –CGTCATTTCCCCGAAATCAG -3’
AGTTTCNNTTTCNC/T
IRF1 GAS
Consensus ISRE
STAT1
ISGF-3 (STAT1/STAT2/IRF9)
5’ –CTCGGGAAAGGGAAACCGAAACTGAAGCC- 3’ ISG-1S ISRE IRF9 STAT1
5’ –AAGTACTTTCAGTTTCATATTACTCTAAATC- 3’ GBP GAS ISRE
5’ –GGAAAAGAGAAGAGAAAGT -3’ Unusual ISRE IRF1
Tabella 1.11. Sequenze di DNA leganti STAT1.
~ 22 ~
Figura 1.12. Complessi trascrizionali formati da STAT1 in seguito a stimolazione con interferoni. Nel caso degli IFN tipo II l’omodimero STAT1 forma il complesso GAF e nel nucleo lega la sequenza GAS. Nel caso degli IFNs tipo I l’eterodimero STAT1 STAT2 lega ISGF3G (proteina codificata dal gene IRF9) e nel nucleo lega la sequenza ISRE. (Novel STAT1 Alleles in Otherwise Healthy Patients with Mycobacterial Disease; August 18, 2006).
La trascrizione a valle è diversa in base al tipo cellulare e al contesto in cui si trova.
Può essere: diretta, indiretta, attivatoria o inbitoria.
Nelle cellule dove è attivato STAT1 si ha trascrizione di molti geni, grazie anche alla
cooperazione con altri fattori trascrizionali (quali NF-κB e ICAM).
STAT1 però, può anche essere un inibitore trascrizionale per altri geni, quali Ciclina
A e c-myc.
Inoltre anche nello stato non fosforilato, STAT1, è in grado di attivare la trascrizione
di un subset di geni fondamentali per la regolazione delle cellule del sistema
immunitario.
Fonti: 38; 37; 36; 40; 41; 42;43; 44; 45; 46; 47; 48; 49; 50;51; 52; 53; 54; 55;57; 58; 59; 60
~ 23 ~
1.4. SIGNAL TRANSDUCER AND ACTIVATOR OF TRANSCRIPTION 5
(STAT5)
STAT5 è un attivatore trascrizionale appartenente alla famiglia delle STATs. Questa
famiglia include: STAT1 e STAT4 posti sul cromosoma 2, STAT2 e STAT6 sul
cromosoma 12, STAT3, STAT5 sul cromosoma 17.
Questa proteina è presente in due isoforme STAT5A (794 aa) e STAT5B (787 aa),
codificate da 2 diversi geni con un’omologia della sequenza proteica del 90%;
Entrambe le proteine codificate sono formata da 6 domini strutturali (Figura 1.11).
o NH2 Terminal Domain NH2 term: implicato nella traslocazione nucleare della
proteina, nell’interazione con alcuni coattivatori e nel mantenimento della
corretta conformazione;
o Coiled Coil Domain CCD: formato da 4 α-eliche, media le interazioni con
alcune proteine regolatorie come, IRF9 e PIAS, ed è importante nel legame al
recettore e nell’esportazione dal nucleo;
o DNA Binding Domain DBD: formata da β sheets ed è quella che lega il DNA;
o Regione Linker : determina la corretta struttura tridimensionale;
o SH2 domain, SRC homology 2 SH2: implicato nella dimerizzazione in quanto
riconosce la tirosina (Y694 per STAT5A e Y699 per STAT5B) fosforilata
sull’altro monomero (Figura 1.13);
o Transactivation domain TA: posto al C-terminale.
Figura 1.13. Schema dei domini funzionali di STAT5A e STAT5B. Sono mostrati il dominio N-terminale, il dominio coiled-coil, il dominio di binding al DNA, il dominio linker, il dominio SH2 e infine, al C-terminale il dominio di transattivazione.(Warren J. Leonard. Nature
Reviews Immunology 1, 200-208 December 2001).
~ 24 ~
Il legame di specifiche citochine ( IL2 e IL15 per esempio) al loro specifico recettore
portano all’ attivazione delle chinasi Janus kinase 2 (JAK2). JAK2 nella sua forma
attiva fosforila la Tirosina 694 e 699 rispettivamente di STAT5 A e B permettendo in
questo modo la dimerizzazione delle due isoforme di STAT5. Il dimero così formato
trasloca nel nucleo e si lega a sequenze specifiche del DNA . STAT5 oltre che essere
coinvolto nei processi infiammazione, partecipa al controllo di molti fenomeni
cellulari come: l’ apoptosi, il differenziamento e la proliferazione cellulare.
~ 25 ~
2. SCOPO DEL LAVORO
La Candidiasi Mucocutanea Cronica è una condizione clinica dove il soggetto
presenta un’ aumentata suscettibilità a infezioni da parte di Candida albicans.
Questa patologia è stata associata in alcuni casi a mutazioni nella sequenza
codificante del gene STAT1 che determinano un carattere Gain of Function inteso
come un aumento della funzionalità della proteina codificata. In questi pazienti
affetti da CMC si osservano elevati livelli di fosforilazione della proteina STAT1 e a
una quasi totale deplezione della sottopopolazione TH17 che gioca un ruolo
fondamentale nella difesa immunitaria nei confronti della C. albicans.
Spesso, questa aumentata suscettibilità fa parte di un quadro clinico più ampio nel
quale c’è un’ alterazione generale dell’immunità e i soggetti affetti possono
presentare anche infezioni sostenute da altri microrganismi quali Leishmania,
Criptococco, mollusco contagioso e frequenti flogosi del tratto respiratorio
(broncopolmoniti, bronchiectasie, otiti e sinusiti) e, in alcuni casi, anche tiroiditi.
Il solo deficit di TH17 non permette di spiegare questa eterogeneità clinica e
suggerisce quindi che ci possano essere altri fattori in grado di alterare popolazioni
cellulari del sistema immunitario e loro funzioni.
Scopo di questo lavoro di tesi è stato quello caratterizzare in maniera estesa i
meccanismi molecolari e funzionali generati dalle alterazioni nel gene STAT1 che
causano CMC.
~ 26 ~
3. MATERIALI E METODI
3.1 PAZIENTI
Questo studio è stato eseguito con l’approvazione dall’Institutional Review Board
degli Spedali Civili di Brescia.
Sono stati descritti 8 pazienti che hanno fatto riferimento al reparto di
Immunologia per candidosi mucocutanea cronica (CMC). Il consenso informato
scritto è stato ottenuto da tutti i pazienti o dai loro genitori (per i minorenni) per la
valutazione genetica e immunologica. I dati clinici e di laboratorio sono stati raccolti
in modo retrospettivo dalle cartelle cliniche.
I campioni di sangue dei pazienti e dei controlli sono stati raccolti in presenza di
anticoagulante.
Paziente 1. Maschio di 11 anni nato da genitori non consanguinei di etnia
caucasica. All'età di un anno ha iniziato a manifestare mughetto orale, che si
manifestava con ricorrenza dopo terapia antibiotica. Ha sviluppato candidosi
cutanea (fronte) una volta, e da quando aveva 8 anni, anche onicomicosi del
secondo dito della mano. Non ha mai avuto candidosi genitale. La candidosi
mucocutanea risponde a fluconazolo per via orale, ma successivamente ha richiesto
la profilassi con itraconazolo orale. Da segnalare, un episodio di polmonite all'età
di cinque anni, e diversi attacchi di bronchite ostruttiva. All'età di 6,5 si documenta
un aumento del TSH (7155 mU / L, range 0,27-4,2); All’ età di 9 anni si avvia terapia
ormonale per il controllo dei parametri tiroidei (successivi TSH 61,63 mU / L).
Anticorpi tiroidei negativi. La sua valutazione immunologica ha rivelato bassi valori
di IgM (31 mg / dl, range> 49), associate a seguito della somministrazione del
vaccino anti-tetanico. Non è mai stata necessaria terapia con immunoglobuline.
Paziente 2. Madre del P1, donna di 45 anni, ha presentato, fin dalla prima infanzia
grave candidosi orofaringea e unguale, resistente alla terapia orale con antifungini
(fluconazolo, itraconazolo). Sono stati refertati ricorrenti episodi di vesciche alla
~ 27 ~
pelle, e sono stati riportati casi di febbre ricorrente associata alla perdita di peso. Si
segnalano attacchi di infezioni polmonari e una tomografia a scansione
compiuterizzata (TC) al torace, eseguita quando all’ età 21 anni, ha mostrato
bronchiectasie nel lobo inferiore sinistro del polmone. Ha 31 anni ha sviluppato un’
infezione da Pseudomonas aeruginosa; dopo di che ha sofferto frequentemente di
problematiche polmonari. Si segnala anche diabete gestazionale, ma non ha mai
sviluppato manifestazioni autoimmuni. Ha sofferto di reflusso gastro-esofageo fin
dall’ età adolescenziale, ma le diverse biopsie non hanno mai rilevato infezione
delle mucose. Analogamente al figlio (P1), ha generato una scarsa risposta al
vaccino anti-tetatnico
Paziente 3. Uomo di 33 anni nato da genitori non consanguinei e di etnia caucasica.
Dall’ età di 6 mesi si manifestano casi ricorrenti di mughetto responsivi al
trattamento per via orale con fluconazolo e itraconazolo. Si documentano episodi
ricorrenti di bolle cutanee e dall'età di 19 anni ha sempre sofferto di candidosi
esofagea, che ha risposto a trattamento per endovena di amfotericina B. Fin da
bambino ha sofferto di ripetuto episodi di otite e molteplici attacchi di polmonite.
Bronchiectasie sono state descritte all'età di 10 anni nel lobo inferiore sinistro.
All'età di 15 anni è stata refertata una linfoadenite granulomatosa necrotizzante:
analisi microbiologiche da biopsia ha rilevato infezione sostenute da Cryptococcus
neoformans (Figura 1.1), che ha risposto al fluconazolo per via endovenosa. All'età
di 28 anni ha sviluppato leishmaniosi viscerale, e ha ricevuto amfotericina B, che ha
causato nefropatia indotta da farmaci e per questo motivo la terapia è stata
continuata con Impavido®. È interessante notare la presenza di infezioni ricorrenti
da mollusco e da Visrus del pailloma umano (HPV) (verruche). Ha sviluppato
ipotiroidismo all'età di 32 anni e per questo motivo è stata iniziata la terapia con
levotiroxina. Da segnalare anche la presenza di anticorpi antinucleo (titolo 1: 320) e
anticorpi anti-doppio filamento di dna. Il paziente 3 manifesta anche lesioni
cutanee del viso lupus eritematoso-simili. Indagini immunologiche hanno scoperto
scarsa risposta al vaccino anti-tetanico, associate a linfopenia ( di cellule CD4 + e
CD8 + T).
~ 28 ~
Paziente 4. Ragazzo di 15 anni nato a termine da genitori non consanguinei e di
etnia caucasica. Fin da bambino ha presentato infezioni respiratorie ricorrenti
complicate da sinusite cronica. All'età di 5 anni manifesta mughetto secondario a
terapia antibiotica e da allora si è manifestato un quadro di candidosi orale,
facilmente controllata con antifungini topici (miconazolo). All'età di 14 anni ha
sviluppato aplasia midollare che ha richiesto trasfusioni di piastrine e sangue,
probabilmente cotrimossazolo correlate che gli era stato somministrato come
profilassi antibiotica per le infezioni respiratorie. In quella occasione per una
valutazione più precisa è stato sottoposto a TC, rivelando bronchiectasie e
ispessimento delle pareti bronchiali bilaterale nei lobi inferiori del polmone, alla
lingua, e al lobo medio. Durante l'anno successivo, ha sofferto di due esacerbazioni
polmonari causate da Serratia Marescens e da Pseudomonas Aeruginosa, debellata
attraverso trattamento orale con ciprofloxacina. Il ragazzo è stato recentemente
sottoposto a fisioterapia respiratoria. Presenta anche vitiligine con anticorpi
antinucleo positivi (titolo 1: 320).
Paziente 5. Ragazzo di 10 anni nato a termine da genitori non consanguinei e di
etnia caucasica. All’eta di due mesi svilippa mughetto orale cronico e con reflusso
gastroesofageo. A quattro mesi si descrive un episodio di grave polmonite bilaterale
sostenuta da Pneumocistis Carinii (PCC), complicata da Streptococcus Viridans e
sepsi causata da Candida Albicans. Successivamente si manifestano diversi attacchi
di polmonite. Dall’ età di Quattro anni è stato sottoposto a fisioterapia respiratoria
e a una TC del torace con la quale non sono state osservate bronchiectasie. Un’
endoscopia ha dimostrato un'infezione esofagea sostenuta da Candida, e per
questo è stato trattato con voriconazolo per via endovenosa. Purtroppo si è
manifestata anche una ernia iatale secondaria associate a scarsa alimentazione,
aggravata da infezione da Candida. Si osserva risposta al trattamento con
itraconazolo. Anche per questo paziente è risultata scarsa la risposta al vaccino anti-
tetanico, e l'analisi delle sottopopolazioni linfocitarie ha mostrato una riduzione
delle cellule B della memoria.
~ 29 ~
Paziente 6. Femmina di 7 anni nata a termine da genitori non consanguinei e di
etnia caucasica. Ha manifestato candidiasi cronica della mucosa orale, della pelle,
della testa, e delle unghie della mano a partire dall'età di 2 anni. Risponde al
trattamento per via orale con fluconazolo. Sono stati descritti diversi episodi di
infezioni del tratto respiratorio, tra cui polmonite da Pseudomonas aeruginosa. Una
TC eseguita all'età di 6 anni ha mostrato bronchiectasie nel lobo medio destro e
della lingua. La paziente soffre di anemia microcitica e per questo è stata avviata
terapia con ferro.
Paziente 7. Ragazza di 14 anni nata a termine da genitori non consanguinei di etnia
caucasica. Fin dall'età di 6 mesi si refertano episodi ricorrenti di candidosi vaginale e
stomatite aftosa orale. Si descrivono fenomeni di sinusite e un episodio di
polmonite all'età di 11 anni .L’ infezione da Candida sono controllate attraverso
profilassi con fluconazolo.
Paziente 8. Femmina di 8 anni nata a termine da genitori non consanguinei. Ha
sofferto di mughetto orale ricorrente associate a stomatiti aftose fin dall'età di 5
mesi, con la colonizzazione cronica dell'esofago, seguita da candidosi unguale che si
è sviluppata all’età di un anno. La Candidiasi mucocutanea risponde lentamente a
fluconazolo somministrato per via orale. Si descrive un episodio di polmonite lobare
all'età di 7 mesi e ricorrente infezioni ricorrenti delle alte vie respiratorie (URTI). È
interessante notare che dall’ età di 2 anni ha sviluppato infezioni da herpes simplex
virus (episclerite) e da varicella (lesioni cutanee disseminate). Ha sviluppato
ipotiroidismo (TSH 100 mU / L) all'età di 7 anni, ed da allora è sottoposta a
trattamento con levotiroxina. All'età di 8 anni, ha sviluppato linfopenia (delle cellule
CD4+ e CD8+), associato a una corretta risposta e produzione di immunoglobuline,
in seguito a sommininistrazione di vaccine anti-tetanico.
~ 30 ~
Age at
onset
Age at diagnosis
(yrs) CMC Bacterial
Infections Viral
infections
Bronchi-
ectasis
Hypo-thyroidi
sm
Autoimmunity
Poor vaccine
response
P1 1 year 9 + URTI,
pneumonia None - + None -
P2 1 year 43 + URTI,
pneumonia, skin abscess
None + - None +
P3 6
months 28 +
URTI, recurrent
pneumonia, otitis media, skin abscess, leihmaniasis Cryptococca
l adenitis
Recurrent mollusca, skin HPV
+ +
Lupus-like skin disease,
ANA and ds-DNA antibody positivity
+
P4 5 years 14 + URTI,
recurrent pneumonia
None + - Vitiligo,
ANA positivity
+
P5 2
months 9 +
URTI, Pneumocysti pneumonia, otitis media, S.Viridans
sepsis
None - - None -
P6 2 years 7 +
URTI, recurrent
pneumonia, otitis media
None + - None -
P7 6
months 14 +
URTI, pneumonia
None - - None -
P8 5
months 8 +
Pneumonia, episcleritis
recurrent zoster
infection, herpetic infection
+ None -
Tabella 1.1. Caratteristiche cliniche e immunologiche dei pazienti.
~ 31 ~
3.2. ANALISI GENETICHE
3.2.1. ESTRAZIONE DEL DNA DEL PAZIENTE
Per ricercare le mutazioni nel gene STAT1 in soggetti affetti dalla sindrome CMC, si
procede partendo dal prelievo di sangue venoso periferico raccolto in EDTA.
Il DNA è estratto utilizzando il kit QIAmp DNA Blood Mini Kit (50) ® seguendo il
protocollo previsto dalla metodica:
o Si parte da 400µl di sangue a cui viene aggiunto un pari volume di buffer AL
fornito dal kit.
o Si aggiungono 40µl di proteinasi K e si miscela per 15 secondi col vortex.
o Si incuba per 10 minuti a 56°C.
o Si aggiungono 400µl di etanolo al 100% e si miscela nuovamente.
o Si trasferisce il tutto nella colonnina fornita dal kit.
o Si centrifuga a 8000rpm per 1 minuto e si procede con i lavaggi del filtro, a
cui è legato il DNA.
o Si aggiungono 400µl di Buffer Aw1 e si centrifuga per 1 minuto a 8000rpm.
o Si effettua un secondo lavaggio con il buffer Aw2, centrifugando per 3 minuti
a 14000rpm.
o Si centrifuga per 1 minuto a 14000rpm per rimuovere gli eventuali residui di
etanolo.
o Si procede con l’eluizione: si aggiungono 200µl di buffer AE e si incuba per 5
minuti a temperatura ambiente.
o Si centrifuga per 1 minuto a 8000rpm.
Il DNA così ottenuto viene quantificato mediante lo spettrofotometro UV/Visibile
Infinite M200 TECAN alla lunghezza d’onda di 260nm. La purezza viene stimata
leggendo l’assorbanza anche a 280nm e facendo il rapporto fra le assorbanze alle
due lunghezze d’onda. Il DNA viene conservato a +4°C.
~ 32 ~
3.2.2. AMPLIFICAZIONE DEL GENE STAT1
I 23 esoni del gene STAT1 vengono amplificati mediante PCR (Polymerase Chain
Reaction); per l’amplificazione vengono usate coppie di primers specifiche per
ciascun esone. (Tabella 3.1).
I reagenti utilizzati sono i seguenti:
o 5X Colorless GoTaq TM Reaction Buffer (Promega);
o GoTaq G2® HotStart Polymerase (Promega®);
o dNTPs 5mM (Promega);
o Primer Forward e Primer Reverse 5pmol/µl (EuroClone®);
o 200ng di DNA.
La reazione avviene nel termociclatore Gene Amp ® Pcr System 9700 seguendo il
seguente protocollo:
o denaturazione iniziale 95°C per 3 minuti
o denaturazione 95°C per 30 secondi
o annealing 55°C per 30 secondi 35 cicli
o extension 72°C per 45 secondi
o extension finale 72°C per 7 minuti
o mantenimento 4°C.
La visualizzazione dei prodotti di PCR viene effettuata mediante corsa
elettroforetica a 120V per 10 minuti in gel d’agarosio al 2% colorando il DNA con
Green Gel Plus TM Nucleic Acid Stain 50000X (Fisher Molecular Biology).
La lunghezza corretta dei frammenti viene confermata usando il marcatore di peso
molecolare PCR 100bp Low Ladder (Sigma).
~ 33 ~
Exon Sequence Lenght Tm Gc Size product
Esone 1F GGAAGCCGGCGGAAATAC 18 62.8 61.1% 484
Esone 1R CACTGCTCGCACTTGGAATA 20 60 50% 484
Esone 2F CCCTTTCCATCAGTCACGTT 20 60 50% 237
Esone 2R TTCCGAAGTCATGTACTCATTCA 23 59.6 39.1% 237
Esone 3F GGCTTTCTTTGGAGCTATGG 20 58.9 50% 248
Esone 3R TCAACCAGTACTTTTAAGGTGTAAACT 27 58.1 33.3% 248
Esone 4F GAAACCAACATTTGTTTTGTCTG 23 58.6 34.8% 288
Esone 4R AATGAAGAAAACTGCCTTCCA 21 58.8 38.1% 288
Esone 5F CACAATAAAGTAAACATTCTGCATTT 26 58 26.9% 243
Esone 5R GCTTTGACATGGGCCCTAAT 20 61.2 50% 243
Esone 6F CCAGCAAGTACACACCCTGA 20 59.7 55% 231
Esone 6R GAGGTTTACACCCCAAGCAA 20 60 50% 231
Esone 7F GGGGGAGATGGAATTGTTTT 20 60.0 45% 226
Esone 7R AACGGGCACCACTTCAGTT 19 60.6 52.6% 226
Esone 8F GAGCCCCAGTTGAGAATGAA 20 60.2 50% 298
Esone 8R TGACCTGTCACTAGGCAGCA 20 60.6 55% 298
Esone 9F AATGAATTTATTTCACTTTGTTTCTTC 27 57.6 22.2% 298
Esone 9R CAGCTGCCAGTTTTCTGCTT 60.7 61 55% 298
Esone 10F GGCTGCTTCTGGACTGTTTC 20 60 55% 240
Esone 10R AGGTACAAATAAATGTCCCTTGAG 24 57.8 37.5% 240
Esone 11F TCATTGTGATTGCCTCAACC 20 59.5 45% 186
Esone 11R GTATGGGATGCCATCTTTCC 20 59.2 50% 186
Esone 12F CCTAAAACTGGAGGGGGAGT 20 59.4 55% 249
Esone 12R TGGAGGAATCTGTGCTTGAG 20 59 50% 249
Esone 13F GGCTGCAAATCCATAGGTGT 20 60 50% 243
Esone 13R GAAATGCTGAAAAGTCTTCCAA 22 58.5 36.4% 243
Esone 14F TTGGAAGACTTTTCAGCATTTC 22 58.5 36.4% 208
Esone 14R GCCAAAAAGGGCTGCTCTA 19 60.5 52.6% 208
Esone 15F TTGTCCCATGTTCTGCATTC 20 59.5 45% 250
Esone 15R CCAACTGACCTGTCCTTGCT 20 60.3 55% 250
Esone 16F AGGATCTCTGTGGCCTGTTG 20 60.3 55% 209
Esone 16R TCCAACTCGGGACCATAAAA 20 60.3 45% 209
Esone 17F TCCCCTGCTTTTAGTTGAGG 20 59.3 50% 224
Esone 17R GCTTAACCCTGGGACCAAAG 20 60.8 55% 224
~ 34 ~
Esone 18F CCCTTAGATTTTGGGTGTTTTCT 23 59.8 39.1% 247
Esone 18R TAGCAGAGGGGAAAAGAGCA 20 60.1 50% 247
Esone 19F ATACAAGAGCCATCCGTCCA 20 60.5 50% 234
Esone 19R CACGCCAAAATAAGCAAACA 20 59.7 40% 234
Esone 20F GGGCCATGGTAAGTCATTGT 20 59.7 50% 214
Esone 20R TCTCAACCTCGCAGCACTAA 20 59.7 50% 214
Esone 21F GTTAGCATGAAAATGGAAATCAT 23 57.2 30.4% 250
Esone 21R CATGGAATGGTGGGACTATG 20 58.6 50% 250
Esone 22F TCCTCTTTCATTTTGGGATGTT 22 59.8 36.4% 295
Esone 22R CCCCTCATCAGGAAAGACTG 20 59.6 55% 295
Esone 23F ATGGAATTTCGGTTGATGGA 20 60.1 40% 247
Esone 23R TTCAGCTGTGATGGCGATAG 20 60 40% 247
Esone 24F TCACTCAGATGTTGACATTGCT 22 58.4 40.9% 204
Esone 24R TGCCTCTGAGCACACACACT 20 60.7 55% 204
Esone 25aF TGAGTCTGCATTTCACAAGATCA 23 60.8 39.1% 295
Esone 25aR TGCCTTTCAATTTTACCTTCA 21 57.4 33.3% 295
Esone 25bF TGTACATTTCCAAATTCACAAGTT 24 57.7 29.2% 250
Esone 25bR TCCCAATTTTGTGGCTAATAGA 22 58.6 36.4% 250
Esone 25cF GGGTTTGACAAGGTTCTTCC 20 58.5 50% 237
Esone 25cR CTGAGAGAGGAGGCCTCAGA 20 59.8 60% 237
Tabella 3.1. Sequenza e caratteristiche chimico-fisiche dei primers utilizzati.
3.2.3. PURIFICAZIONE DA ENZIMI E PRIMERS
Prima di procedere con la PCR di sequenza si purificano gli amplificati dagli enzimi e
dai primers che potrebbero interferire con la successiva reazione. Viene utilizzato il
kit della Thermo Scientific e si segue il protocollo fornito.
A 5µl del prodotto di PCR si aggiungono 1µl di FastAP Termosensitive Alkaline
Phosphatase® 1 U/µl e 0,5µl Exonuclease I 20 U/µl (Thermo Scientific®). Si incuba a
37°C per 15 minuti, e poi a 85°C per altri 15 minuti.
Il prodotto così purificato può essere conservato a +4°C.
~ 35 ~
3.2.4. PCR DI SEQUENZA
La PCR di sequenza avviene preparando la seguente mix:
o 1µl di una preparazione Standard, Big Dye Terminator (Applied Biosystem®),
contenente i ddNTPs ovvero i nucleotidi terminatori marcati con un
fluorocromo diverso per ogni base azotata,
o 2µl di Big Dye Terminator Buffer Sequencing 5X
o 2µl di primer alla concentrazione di 10pmol/µl,
o 4µl di H2O deionizzata.
Il protocollo d’amplificazione eseguito nel termociclatore Mastercycler eppendorf®
è il seguente:
o denaturazione iniziale 94 °C per 5 minuti
o denaturazione 94 °C per 10 secondi
o annealing 58° C per 5 secondi 24 cicli
o extension 60 °C per 2 minuti e 30 secondi
o mantenimento 4 °C
3.2.5. PRECIPITAZIONE PCR DI SEQUENZA E SEQUENZIAMENTO
I prodotti di PCR vengono precipitati nel modo seguente:
o si aggiungono a ciascuna reazione 25µl di etanolo 100% e 1 µl di sodio
acetato.
o Si centrifuga a 4°C per 25 minuti a 14000rpm.
o Si esegue un lavaggio con 180µl di etanolo al 70% centrifugando a 14000
rpm per 25 minuti a 4°C.
~ 36 ~
o Si fa essiccare il DNA e poi lo si carica sul sequenziatore ABI Prism 310
Genetic Analyzer Applied Byosistem® aggiungendo 40µl di formammide.
Le sequenze così ottenute vengono allineate utilizzando come riferimento la
sequenza presente nel database Ensembl Genome Browser. Per l’allineamento viene
utilizzato il programma BioEdit.
3.3. BIOLOGIA CELLULARE
Le linee cellulari utilizzate sono i blasti T, i linfociti B immortalizzati in vitro con il
virus di Epstein Barr (EBV) e una linea cellulare U3C knock-out per STAT1.
3.3.1. ISOLAMENTO PBMC
I PBMC (Peripheral Mononuclear Blood Cell) vengono isolati per ottenere colture
cellulari di linfociti T e B. Si procede partendo da prelievo di sangue venoso
periferico eparinato di pazienti e di controlli sani e la separazione avviene mediante
stratificazione su gradiente di Lympholyte H, seguendo il protocollo fornito dalla
ditta. (Cedarlane® , Ontario; Canada):
o Si aggiunge al sangue un egual volume di soluzione fisiologica
o Si stratifica il sangue diluito su un volume di Lympholyte pari al volume del
sangue iniziale, evitando che i due fluidi si mescolino.
o Si procede con una centrifuga a 2000rpm per 20 minuti a temperatura
ambiente.
o Si ottiene una stratificazione come mostrato in figura 3.2 e si aspira l’anello
contenente i PBMC.
~ 37 ~
o L’anello dei PBMC (contenente quindi linfociti T, B e monociti) è lavato con
soluzione fisiologica e centrifugato a 2'000 rpm per 10 minuti a temperatura
ambiente.
o La determinazione del numero di cellule recuperate è ottenuta tramite
colorazione vitale e conta in camera Burker.
A tale scopo si diluisce un’aliquota (7µl) delle cellule in sospensione con un
pari volume di colorante vitale Tripan Blue (Euroclone®) e si prosegue alla
loro osservazione con microscopio ottico all’interno dell’emocitometro di
Burker. Le cellule morte risulteranno colorate in blu in quanto le membrane
danneggiate permettono l’ingresso del colorante, mentre le cellule vive, con
membrana ancora integra, risultano normalmente translucenti. Le cellule
vengono contate, e la loro concentrazione è ottenuta calcolando la media
delle cellule presenti in 3-4 quadranti delimitati da tripla linea. Poiché
ciascun quadrato dell'emocitometro con il coprioggetto in posizione ha un
volume di 0.1 mm3 o di 10-4 cm3, ed essendo 1 cm3 equivalente a 1 ml, la
concentrazione di cellule per millilitro sarà determinata con il seguente
calcolo:
Cellule per ml = (conteggio medio per quadrato) x (fattore di diluizione x 10 4)
Figura 3.2. Rappresentazione schematica della separazione di PBMC da sangue periferico mediante Lympholyte H.
~ 38 ~
o Le cellule così ottenute possono essere risospese in un appropriato volume
di terreno ed espanse in vitro con gli adeguati stimoli per dar luogo a una
specifica linea cellulare, o possono essere conservate in DMSO
(Dimetilsolfossido) 10% FBS e congelate in azoto liquido.
3.3.2. LINEE EBV
L’infezione con l’Epstein-Barr virus ci permette di immortalizzare in vitro i linfociti B,
e viene eseguita seguendo il seguente protocollo:
o Si incubano 5 milioni di PBMC con 1 ml di surnatante di coltura di cellule di
scimmia Marmoset Clone 95.8 infettate dal virus di Epstein-Barr.
o Le cellule vengono lasciate a 37 °C con 5% CO2 per 18 ore.
o Le cellule sono centrifugate e il pellet risospeso in terreno RPMI 1640
(EuroClone) addizionato di 10% FBS (EuroClone), 1% L-glutammina
(EuroClone) e 1% penicillina-streptomicina (EuroClone).
o Per l’attivazione dei linfociti si utilizzano 15µg/ml di fitoemoagglutinina
(PHA). L’espansione avviene in piastre da 24 wells, quando il numero è
sufficientemente elevato vengono trasferite in flask di dimensioni via via
maggiori.
3.3.3. LINFOCITI T
L’espansione dei linfociti T avviene partendo dai PBMC precedentemente estratti da
sangue nel modo seguente.
o I PBMC vengono seminati in piastre da 96 well, in un volume di 200µl per
pozzetto, a una concentrazione finale di 300 000 cellule/ml, utilizzando
come terreno l’RPMI 1640 dell’EuroCLone addizionato di 10% FBS
~ 39 ~
EuroClone al, 1mM sodio piruvato, 2mM L-glutammina e (EuroClone)
(preriscaldato a 37 °C).
o Si procede con l’aggiunta degli stimoli: per l’induzione della proliferazione e
del differenziamento dei linfociti T vengono usati 5 µg/ml PHA e 600U/µl IL-
2,.
o Vengono mantenute in coltura sempre in terreno RPMI addizionato di 10%
FBS, 2mM L-glutammina, 1000U/ml penicillina/streptomicina , 1mM sodio
piruvato e 1200U/µl IL-2.
o Queste cellule possono essere congelate in azoto liquido 5-10
milioni/criovial in FBS 10% DMSO.
3.3.4. ALLESTIMENTO DI COLTURE DI TH17
Per ottenere una coltura di linfociti TH17, è necessario isolare i linfociti T CD4
positivi dai PBMC, e successivamente ricavarli da essi. Per far ciò abbiamo utilizzato
il kit CD4 MicroBeads, human 2mL (Miltenyi biotech) con il protocollo seguente:
o Si ricavano i PBMCs da sangue intero effettuando una centrifugazione in
gradiente di Ficoll.
o Si determina il numero di cellule e si centrifuga la sospensione cellulare a
1200rpm per 10 minuti, dopo aver aggiunto 2 ml di MACS buffer (PBS, 0.5%
FCS, 2 mM EDTA).
o Si aspira completamente il surnatante e si risospende il pellet cellulare nel
MACS buffer (PBS 0.5% FCS, 2 mM EDTA), 80 µl ogni 107 cellule.
o Si addizionano 20 µl di biglie CD4 ogni 107 cellule, si miscela bene e si incuba
per 15 minuti a 4°C.
o Si lavano le cellule con 1-2 ml di MACS buffer (PBS 0.5% FCS, 2 mM EDTA)
centrifugando a 1200rpm per 10 minuti.
o Si risospende il pellet in 500µl di buffer, quindi si procede alla separazione
magnetica con colonne MS (2 x108).
~ 40 ~
o Si prepara la colonna reidratandola con 500µl di MACS buffer.
o Si posiziona la colonna sul supporto magnetico, con sotto una falcon da 15
ml per la raccolta della selezione negativa.
o Si aggiunge la sospensione cellulare alla colonna, e si raccolgono le cellule
che hanno attraversato la colonna, ovvero la frazione non legata alle biglie
(CD4-).
o Si effettuano 3 lavaggi con 500 µl di MACS buffer (volume finale falcon 2 ml).
o Si toglie la colonna dal separatore magnetico e la si pone in una nuova falcon
da 15 ml per la raccolta della selezione positiva.
o Si aggiunge 1 ml di buffer nella colonna, si applica lo stantuffo: le cellule
raccolte saranno CD4+.
3.3.5. ESPANSIONE E STIMOLAZIONE TH17
Per ottenere i TH17 dai linfociti CD4+ si procede nel seguente modo:
o si prepara il coating con 5 µg/ml di anticorpo anti CD3 in PBS1X nelle piastre
da 24 pozzetti incubando per 3 ore a 37°C.
o si rimuove il PBS con l’anticorpo non legato e si esegue un lavaggio con
PBS1X
o si aliquotano 3x105 cell/ml
o si aggiungono 750 ng/ml di anticorpo anti CD28
o si aggiungono 20 U/ml di IL-2
o si incubano per 5 giorni a 37°C, al 5% CO2,
o Si stimolano le cellule CD4+ per 6 ore con 100 ng/ml forbolo miristato
acetato (PMA), 750 ng/ml ionomicina e 10 mg/ml brefeldina A, addizionata
dopo 3 ore.
o Si esegue la marcatura per la determinazione delle cellule TH17 utilizzando i
seguenti anticorpi: IL-17A/FITC, INF-γ/PE, CD4 Percp-Cy5.
~ 41 ~
3.3.6. ALLESTIMENTO DI COLTURE DI CELLULE NK
Per ottenere le cellule NK dei pazienti e dei controlli si parte dalle sottopopolazioni
linfocitarie CD56+ CD16+ e CD3- isolate dai PBMC seguendo il seguente protocollo.
o I PBMC vengono fatti aderire in piastre Petri di plastica per 45 minuti a 37°C,
5%CO2 per eliminare i monociti/macrofagi.
o Le cellule che non hanno aderito, ovvero i PBL (Pheripheral Blood Leukocyte)
vengono incubate con una miscela di separazione costituita da anticorpi
monoclonali anti CD3 e anti CD4 per 30 minuti a 4°C.
o Si effettua un lavaggio in PBS1X per eliminare gli anticorpi in eccesso.
o Il campione viene trattato con Dynabeads magnetiche (Dynabeads M-450
Goat anti-mouse IgG, Dnya1 Biotech) rivestite con goat anti-mouse, per 30
minuti a 4°C.
o Dopo separazione magnetica le cellule CD3- e CD4- vengono piastrate
1000cellule/well in piastre da 96 wells per generare i ‘bulk di NK’ (ovvero le
NK attivate).
o Una volta isolate le cellule sono mantenute in coltura con terreno RPMI
addizionato di 10% FBS, 2mM L-glutammina, 1000U/ml
penicillina/streptomicina.
3.3.7. U3C
Le U3C sono una linea cellulare di sarcoma murino STAT1 deficienti. Vengono
mantenute in coltura in terreno DMEM (EuroClone) addizionato di 10% FBS, 2mM
L-Glutammina, 1000U/m penicillina/streptomicina (EuroClone). Poiché sono cellule
che crescono in adesione vengono staccate mediante l’utilizzo della tripsina, una
idrolasi in grado di catalizzare il taglio proteolitico con specificità per arginina e
lisina procedendo nel seguente modo:
~ 42 ~
o Le cellule vengono private del loro medium di cultura e lavate con soluzione
fisiologica (NaCl 0.9%), al fine di allontanare i residui di siero contenenti ioni
calcio che inibirebbero l’azione dell’enzima .
o Le cellule vengono quindi trattate con un volume di tripsina idoneo alla
piastra nella quale sono in coltura (0.05% tripsina, 0.02% EDTA, in PBS
EuroClone ® e lasciate a 37°C per 5 minuti circa).
o Per azione enzimatica le cellule si staccano dal fondo della piastra, quindi
vengono raccolte e trasferite in una provetta contenente terreno completo
per bloccare l’azione della tripsina che potrebbe danneggiare le cellule.
o Una quantità idonea di cellule viene riseminata all’interno della flask, mentre
le restanti possono essere congelate in FBS con 10% di DMSO e conservate
in azoto liquido.
3.4. ANALISI BIOCHIMICHE-FUNZIONALI
3.4.1. CITOFLUORIMETRIA
La citofluorimetria a flusso è una metodica che permette misurazioni
multiparametriche delle caratteristiche chimico-fisiche delle cellule. Tra i parametri
rilevabili ricordiamo il volume, la complessità morfologica delle cellule, il contenuto
di pigmenti, DNA; RNA, proteine etc.
Le cellule in sospensione fisiologica vengono aspirate da un capillare e vengono
incolonnate tramite un processo di focalizzazione elettrodinamica. Giunte nella
camera ottica vengono colpite da un raggio laser. (Laser ad argon della lunghezza
d’onda di 488nm).
Un sistema ottico rileva gli scattering: le radiazioni diffuse (FCS Forward Scatter) e il
segnale luminoso diffratto (SSC Side Scatter).
L’FCS dà un’indicazione circa le dimensioni della cellula, l’SSC permette di valutare
la complessità cellulare (quindi la sua granulosità).
~ 43 ~
Il citofluorimetro inoltre grazie all’uso di marcatori fluorescenti (fluorocromi)
coniugati ad anticorpi monoclonali specifici per particolari strutture cellulari
consente di analizzare l’espressione di alcuni antigeni, come per esempio CD
(Cluster Differentiation). L’utilizzo della tecnica di citofluorimetria per la
caratterizzazione dei leucociti e per la determinazione delle cellule esprimenti un
determinato antigene prende il nome di ’immunofenotipizzazione’.
Infatti il laser, settato a una specifica lunghezza d’onda è in grado di eccitare i
fluorocromi, che poi emettono ad un’altra specifica lunghezza d’onda: il FITC:
Fluoresceina-5-isotiocianato a 525nm, il PE: R-ficoeritrina a 575nm, il
PerCyP:peridinin chlorophyll protein complex a 675nm.
La fluorescenza emessa è direttamente proporzionale alla quantità di proteina
d’interesse presente nelle cellule bersaglio.
È possibile anche fare marcature multiple utilizzando fluorocromi diversi per ciascun
anticorpo.
Questo è possibile grazie alla presenza di un sistema di filtri ottici in grado di
separare le diverse lunghezze d’emissione, permettendo quindi l’analisi specifica
delle singole fluorescenze contemporaneamente.
Questi segnali luminosi sono trasformati dai fotomoltiplicatori in impulsi elettrici (la
cui ampiezza è misurata in volt, da 0 a 10). Questo voltaggio viene poi trasformato
in canali di conta, per permetterne una quantifica (da 0 a 1023).
In questo studio lo strumento utilizzato è il FACS Calibur (Becton Dickinson) a tre
canali: FL1 che registra la fluorescenza emessa dal FITC, FL2 che registra quella
emessa dal PE, e FL3 che registra quella emessa dal PerCyP.
Inoltre grazie all’operazione di “gating”, ovvero la creazione di una finestra
elettronica, è possibile isolare una particolare popolazione cellulare all’interno di
altre, e quindi analizzare i parametri successivi solo in questa predefinita
sottopopolazione.
I dati ottenuti vengono analizzati mediante il software FlowJo 7.5 version.
~ 44 ~
3.4.2. STAINING INTRACELLULARE DEI TH17
Per la marcatura di proteine intracellulari si procede come previsto dal protocollo
della Caltag Medsystems:
o Le cellule vengono recuperate centrifugando a 1500rpm per 4 minuti.
o Sono risospese in 5µl di antiCD4/PE-Cy5 (BD Becton, Dickinson). Sono
incubate per 15 minuti al buio a temperatura ambiente.
o Successivamente sono aggiunti 100µl di reagente A (Fix & Perm, Caltag) e
sono incubate ancora per 15 minuti al buio.
o Sono quindi lavate con 3ml di PBS.
o Sono risospese in 100µl del reagente B (Fix & Perm, Caltag) e sono aggiunti
5µl di anti INF-γ/PE (eBioscience, San Diego CA USA) e 5µl di anti IL-
17A/Alexa488 (eBioscience, San Diego CA USA). Sono incubate per 20 minuti
al buio a temperatura ambiente.
o Sono lavate con 3ml di PBS e risospese in 300µl di PBS.
o Si procede con l’acquisizione al citofluorimetro.
3.4.3. MARCATURA DELLE PROTEINE INTRACELLULARI FOSFORILATE
L’analisi prevede una doppia marcatura delle cellule mediante due fluorocromi
diversi: una marcatura intracellulare ed una di superficie. Il protocollo usato è il
seguente:
o Abbiamo usato 600µl di sangue intero: 300µl li abbiamo stimolati con IFNα,
e 300µl mantenuti come controllo.
o Il sangue è stato lavato con 3ml di PBS-1%FBS centrifugando a 1400rpm per
5 minuti.
~ 45 ~
o Il pellet è lasciato riposare per 15 minuti a temperatura ambiente, perché la
centrifuga stressa le cellule, e potrebbe aver attivato la fosforilazione di
STAT1.
o Le cellule vengono marcate con 13µl di anticorpo anti CD3 marcato con FITC,
per visualizzare il marker di superficie.
o Per la stimolazione si aggiungono 40000 U/ml IFN-α. Si incuba il tutto per 20
minuti a 37 °C.
o Le cellule sono lisate risospendendole in 3ml di FIX/LYSIS BUFFER 1X della
BD. Dopo averle vortexate sono incubate per 15 minuti a 37 °C.
o Si centrifuga a 1400rpm per 5 minuti. Poi si esegue un lavaggio con 3ml di
PBS-1%FBS centrifugando a 1400rpm per 5 minuti.
o Si risospendono le cellule in 1ml di PERM BUFFER III BD e si lasciano in
ghiaccio, al buio, per 30 minuti.
o Si fanno poi due lavaggi con 3ml di PBS-1%FBS.
o Si aggiungono 7µl di anticorpo anti STAT1 fosforilato e del relativo controllo
isotipico, e si incuba al buio per 1 ora a temperatura ambiente.
o Si esegue ancora un lavaggio e poi si risospende in soluzione fisiologica, per
la lettura al citofluorimetro.
3.4.4. IMMUNOFENOTIPIZZAZIONE
L’analisi dell’immunofenotipo viene effettuata marcando i leucociti presenti nel
sangue periferico fresco con miscele di anticorpi monoclonali coniugati agli
opportuni fluorocromi, secondo un pannello costituito da nove diversi anticorpi che
permettono di identificare le diverse sottopopolazioni d’interesse.
Per un’ efficiente identificazione dei leucociti presenti nel sangue periferico è
necessario eliminare gli eritrociti che altrimenti interferirebbero sulla capacità
analitiche del citofluorimetro. A tale scopo si esegue un protocollo di lisi dei globuli
rossi, che prevede l’uso di una soluzione FACS Lysing Solution, Becton Dickinson,
che permette sia di lisare gli eritrociti sia di fissare i leucociti marcati.
~ 46 ~
Questo protocollo sfrutta la maggiore propensione dei globuli rossi alla lisi in
seguito a shock osmotico, rispetto alle cellule nucleate del sangue. La fissazione dei
leucociti, invece, avviene grazie alla formaldeide che permette di ‘fissare’ la
struttura delle cellule nucleate favorendo il cross-linking tra i gruppi amminici delle
proteine, senza considerabili cambiamenti nella morfologia della cellula.
Il protocollo di lisi è il seguente:
o Si diluisce il reagente FACS Lysing Solution 10X 1:10 con acqua deionizzata;
o Si risospende il pellet cellulare aggiungendo a ciascun campione 2ml di FACS
Lysing Solution 1:1
o Si agita e si lascia in incubazione, al buio, per 20 minuti
o Si esegue un lavaggio con 2ml di soluzione fisiologica NaCl 0.9%
centrifugando per 4 minuti a 1600rpm
o Si esegue un secondo lavaggio sempre con soluzione fisiologica,
centrifugando per 5 minuti a 800rpm
o Si elimina il surnatante e si aggiunge una quantità di fisiologia idonea per
l’acquisizione (I campioni possono, eventualmente, essere conservati a 4°C)
La preparazione dei parametri d’acquisizione specifici per ogni diversa
colorazione prevede anche che per ogni campione sia effettuato un controllo
non marcato per valutare l’autofluorescenza naturale delle cellule presenti nel
sangue intero. Inoltre, per controllare l’aspecificità di ogni anticorpo utilizzato, i
parametri di analisi vengono normalizzati usando il segnale di controlli specifici
isotipici coniugati con lo stesso fluorocromo. (Ovvero si utilizza un anticorpo
monoclonale, della stessa classe di quello usato per la rilevazione della proteina
d’interesse, rivolto verso un antigene assente nel nostro campione).
Acquisendo poi i campioni costituiti da cellule marcate con un singolo
fluorocromo è possibile settare le compensazioni in modo tale da ridurre
l’interferenza fra i segnali dei diversi fluorocromi.
I dati acquisiti sono analizzati tramite il software scientifico FlowJo v8.1.1, che
consente lo studio simultaneo di centinaia di campioni. Questo programma
permette di selezionare precise sottopopolazioni cellulari mediante l’operazione
~ 47 ~
di gating, sfruttando gli specifici marcatori espressi solo da quella
sottopopolazione.
Le nostre indagini si basano su una iniziale analisi dei due parametri fisici
(dimensioni cellulari e complessità intracellulare). In seguito sono individuate le
popolazioni di interesse in base all’intensità di fluorescenza rilevabile all’interno
delle diverse regioni del dot plot biparametrico degli scatter.
3.4.5. VALUTAZIONE DELLA PRODUZIONE DI IFN-γ DELLE CELLULE NK
Per la valutazione in citofluorimetria della produzione di IFN-γ da parte delle cellule
NK si procede nel seguente modo.
o Si seminano i PBL in piastre da 24 wells.
o Questi vengono stimolati con 10 µg/ml IL-12 e 1 µg/ml IL-18, o con 20
ng/ml IL-15, e si lasciano in incubatore a 37°C, 5% CO2 per 18 ore.
o Si aggiunge alle cellule, dopo aver tolto il medium, la mix contenente
gli anticorpi anti CD3, CD56, CD14 e CD20 (7 µl di ciascun anticorpo),
che ci permetterà di fare il gate sulle NK.
o Si incuba per 30 minuti e poi si fa un lavaggio con fisiologica.
o Si aggiunge il buffer Fix Perm e si incuba per 20 minuti.
o Si aggiunge l’anticorpo anti IFN-γ marcato PE e si incuba per 30
minuti.
o Si aggiunge la quantità necessaria di soluzione fisiologica per la
lettura al citofluorimetro.
~ 48 ~
3.4.6. TEST DI DEGRANULAZIONE DELLE CELLULE NK
I test di degranulazione hanno lo scopo di valutare la funzionalità citolitica delle
cellule NK mediante l’analisi dell’esocitosi dei lisosomi secretori.
Le cellule analizzate sono le NK isolate da sangue periferico ed espanse con IL-2, in
presenza o assenza della linea cellulare target K562. Sono state allestite delle co-
colture di cellule NK e cellule K562 in rapporto 1:1 in piastre da 96 wells. Le cellule
NK sono state marcate con 4µl di anticorpo anti CD107a marcato PE e tenute a
37°C, 5% CO2 per 3 ore.
Quindi è stata fatta una analisi citofluorimetrica per valutare la percentuale di
espressione superficiale di CD107a, marcatore della superficie dei granuli litici ed è
stata confrontata con quella espressa dalla popolazione NK policlonale isolata da
sangue periferico di donatori sani dopo aver selezionato le CD56+/CD3-.
3.4.7. SAGGIO EMSA
Per analizzare il complesso DNA-proteine viene utilizzato il saggio EMSA
(Electrophoretic Mobility Shift Assay).
Questa metodica permette di rilevare il rallentamento della corsa elettroforetica del
DNA nel caso in cui sia legato ad un complesso proteico. Si procede nel seguente
modo.
o 10µg di cellule intere sono stati incubati per 10 minuti a temperatura
ambiente in un buffer contenente: 10mM Tris (pH 7.5), 100mM KCl, 5mM
MgCl2, 1mM DTTµg/ml poly(dI-dC) • poly(dI-dC), 50µg/ml di sperma di
salmone e 10% glicerolo.
o Agli estratti proteici si aggiungono 0.5g di anticorpo anti STAT1 (E23, Santa
Cruz Biotechnology) e si incuba per 30 minuti a temperatura ambiente.
Questo ci serve come controllo, per verificare che effettivamente il
rallentamento della corsa è avvenuto grazie al legame di STAT1 col DNA, e
~ 49 ~
non del DNA con un'altra proteina. In questo caso vediamo un supershift: la
corsa è ancora più rallentata, in quanto il DNA è legato da STAT1, a cui si è
legato anche l’anticorpo. (Figura 3.3 )
o Successivamente si aggiungono le sonde oligonucleotidiche marcate con 32P,
una complementare ad una sequenza inducibile da STAT1, GRR element
localizzato nel promotore FcγRI/CD64:
5’ - CTTTTCTGGGAAATACATCTCAAATCCTTGAAACATGCT- 3’;
e una complementare ad una sequenza inducibile di STAT3, c-sis-inducible
element, hSIE:
5’ – GTCGACATTTCCCGTAAATCG – 3’.
o Si incuba per 15 minuti.
Figura 3.3. Rappresentazione schematica del saggio EMSA. Nella prima line è stata caricata solo la sonda, per vederne la mobilità elettroforetica. Nella seconda line è stato carico l’estratto proteico e la sonda: per valutare il rallentamento. Nella terza line sono stati caricati la sonda e l’estratto proteico, dopo incubazione con anticorpo anti STAT1.
3.4.8. SAGGIO DELLA LUCIFERASI
Transfezione delle cellule U3C
La transfezione delle cellule U3C ci permette di valutare l’attività biologica della
proteina STAT1 nelle forme mutate rispetto alla forma wild-type mediante il saggio
della luciferasi.
~ 50 ~
La transfezione viene eseguita con Arrest-in (Thermo Scientific), un reagente lipo-
polimerico ottimizzato per le cellule eucariotiche che permette l’internalizzazione
del DNA.
Dopo aver individuato le condizioni ideali si procede alla transfezione con tre diversi
plasmidi:
o In uno è contenuto il gene codificante per la luciferasi di Renilla Reniformis,
sotto il controllo del promotore HSV (Herpes Simplex Virus) che ne permette
una espressione ad alti livelli e quindi serve da controllo interno per
normalizzare il numero di cellule e la loro vitalità.
o In uno è contenuto il gene per la luciferasi di lucciola (Photinus Pyralis) sotto
il controllo del promotore GAS.
o In uno è presente il gene STAT1 nella forma wild-type o mutata sotto il
controllo del promotore del CMV (Citomegalovirus).
Per la transfezione delle cellule U3C si procede nel seguente modo:
o Si seminano le U3C in piastre 96-well (white plate Tissue Culture TestPplate,
crystal-grade polystyrene) alla densità di 10000 cellule/well in terreno
DMEM 10% FBS, 2mM L-Glutammina, 1000U/ml penicillina e streptomicina
e incubate per 24h a 37°C 5% CO2.
o Utilizziamo 250ng di plasmide contenente la luciferasi di lucciola, 40ng di
plasmide contenente luciferasi di Renilla e 250ng del plasmide contenente il
gene STAT1.
o Questi plasmidi sono stati incubati 20 minuti a temperatura ambiente con
ARREST-IN in terreno DMEM 2mM L-Glutammina, 1000U/ml;
o Le soluzioni di trasfezione sono addizionate alle cellule e incubate per 6 ore a
37°C, 5% CO2.
o A seguito della trasfezione le cellule sono incubate per 24h a 37°C con 5%
CO2 in terreno DMEM 10% FBS, 2mM L-Glutammina, 1000U/ml penicillina e
streptomicina.
~ 51 ~
Stimolazione delle cellule U3C
Prima di procedere col saggio della luciferasi si stimolano le cellule con le citochine
IFN-α, IFN-γ e IL-27 che permettono l’attivazione di STAT1. Le concentrazioni usate
per gli stimoli sono le seguenti: 9000 U/ml IFN-α, 1000 U/ml 100 U/ml 10 U/ml IFN-
γ e 100ng/ml IL-27 per 16 ore.
Rilevazione della bioluminescenza
La stimolazione delle cellule ha attivato STAT1 che quindi induce la trascrizione dei
geni regolati dal promotore GAS. Le cellule transfettate quindi producono luciferasi
di lucciola in quantità direttamente proporzionale all’attività biologica di STAT1. Al
contrario la luciferasi di Renilla è espressa indipendentemente da STAT1, quindi
viene utilizzata per normalizzare il segnale della luciferasi di lucciola.
Si procede quindi con la lettura delle bioluminescenze seguendo il protocollo Dual-
Go Luciferase Assay System (Promega).
o Si procede togliendo tutto il terreno e aggiungendone 75µl per pozzetto.
o Viene aggiunto un egual volume di Dual-Glo Reagent (Promega), una
soluzione che determina la lisi delle cellule e contiene il substrato per la
luciferasi.
o Si incuba per 20 minuti a 37 °C al 5% CO2. Si procede con la misurazione della
luminescenza della luciferasi di lucciola allo spettrofotometro UV/Visibile
Infinite M200 TECAN alla lunghezza d’onda di 560nm.
o Si aggiungono 75µl di Dual-Glo Stop & Glo Reagent: questa soluzione
determina il quenching della luminescenza della luciferasi di lucciola, e
contiene il substrato della luciferasi della Renilla.
o Si incuba a 37 °C al 5% di CO2 per altri 20 minuti. Si procede, quindi, con la
lettura della luminescenza della luciferasi di Renilla alla lunghezza d’onda di
480nm.
~ 52 ~
3.4.9. SAGGIO DI PROLIFERAZIONE
Per valutare la capacità di proliferazione delle NK abbiamo studiato l’espressione
intracellulare del marcatore Ki67 secondo il seguente protocollo:
o Le cellule Nk ottenute dai pazienti e da donatori sani sono state lavate con
PBS e permeabilizzate con saponiana 0.1% in PBS e incubate 20 minuti a 4°C
o Le cellule sono state successivamente incubate con l’anticorpo primario with
MoAb Ki-67(IgG1, mouse anti-human, 1/40 dilution; Dako, Copenhagen,
Denmark) per 1h a 4°C per valutare l’espressione dell’ antigene nucleare
Ki67;
o Le cellule sono state lavate con PBS e incubate a 4°C per 30 minuti con
l’anicorpo secondario PE-conjugated isotype-specific goat anti-mouse
secondary reagent (Southern Biotechnology, Birmingham, AL)
o Le cellule sono state risospese in 500l di PBS per la lettura al
citofluorimetro.
~ 53 ~
3.5. ANALISI DI BIOLOGIA MOLECOLARE
3.5.1. PREPARAZIONE DEGLI ESTRATTI PROTEICI TOTALI
Per l’estrazione delle proteine totali dalle cellule si procede nel seguente modo.
o Si centrifugano le cellule per 8 minuti a 1400rpm.
o Si risospendono le cellule in un buffer di lisi: il RIPA buffer della EuroClone
( 25mM Tris-HCl (pH 7.6), 150mM NaCl, 1% NP-40, 1% sodium deoxycholate,
0.1% SDS) addizionato di EDTA 5mM (Termo Scientific), Halt
Proteasi/Phosphatase Inhibitor Cocktail 100X (Termo Scientific).
o Si mantengono in ghiaccio per 20 minuti.
o Si trattano agli ultrasuoni per 5 minuti e poi si centrifugano a 14000rpm per
10 minuti a 4 °C per pellettare i detriti.
o Gli estratti proteici così ottenuti possono essere conservati a -20°C.
3.5.2. QUANTIFICA DELLA CONCENTRAZIONE PROTEICA MEDIANTE
METODO BRADFORD
Il metodo Bradford permette di valutare il contenuto proteico totale di un
campione, con il saggio BIO-RAD di colorazione al Coomassie Blu R250 (Biorad
Protein Assay, Bradford).
Il reattivo si lega principalmente a residui aminoacidici aromatici o a residui basici.
La valutazione è effettuata mediante paragone con una curva di riferimento
ottenuta con concentrazioni note e scalari di albumina sierica bovina (BSA).
Si procede nel seguente modo.
o In ogni cuvetta viene aggiunto 1ml di soluzione fornita dal kit diluita 1:5 con
acqua distillata e 1µl di campione.
~ 54 ~
o L’assorbanza della soluzione viene valutata mediante l’utilizzo di uno
spettrofotometro con fascio di luce alla lunghezza d’onda di 595nm.
o La concentrazione del campione viene ottenuta interpolando il valore di
assorbanza del campione nella curva di riferimento della BSA.
3.5.3. SEPARAZIONE ELETTROFORETICA DI PROTEINE IN SDS-PAGE ED
ANALISI MEDIANTE WESTERN BLOTTING
Per le analisi proteiche mediante Western blotting vengono utilizzati circa 30μg di
estratto proteico.
o Gli estratti vengono sottoposti a separazione elettroforetica su un gel di
poliacrilamide al 12%-15% in presenza di sodio-dodecil-solfato (SDS),
secondo la procedura descritta da Laemmli (Laemmli UK, 1970). La corsa
elettroforetica è condotta in tampone 25mM Tris pH 8.3, 192mM glicina,
0.1% SDS a voltaggio costante (120mV) per circa 1 ora.
o Dopo la separazione elettroforetica, le proteine sono trasferite su una
membrana di PVDF (polivinildenfluoruro, HybondTM P, GE Healthcare),
preventivamente attivata in metanolo ed equilibrata in tampone di
trasferimento (20mM Tris pH 8.3, 150mM glicina, 20% metanolo); il
trasferimento è effettuato in immersione in cella “Trans Blot BIO-RAD”, a
60mV, per 3 ore a 4°C.
o Dopo il trasferimento, la membrana è saturata tramite incubazione con 5%
latte in H2O deionizzata, per 45 min a 37 °C, in agitazione.
o La membrana è quindi incubata con anticorpo primario opportunamente
diluito in 5% latte TBS-Tween (TBS-T: 20mM Tris/HCl pH 7.4, 138mM NaCl,
0.1% Tween-20 ) a 4°C, per 16 ore in agitazione.
o Vengono effettuati 3 lavaggi da 10 minuti ciascuno in TBS-T in agitazione a
temperatura ambiente
~ 55 ~
o La membrana è incubata per 45 min con l’anticorpo secondario
opportunamente diluito in 5% latte TBS-Tween a 37°C, in agitazione.
o Si effettuano 3 lavaggi da 10 minuti in TBS-T a temperatura ambiente in
agitazione.
o La membrana è sviluppata utilizzando il kit ECL AdvanceTM Western blotting
detection kit (GE Healthcare); la rivelazione si basa su un substrato
chemiluminescente (Lumigen TMA-6), che viene ossidato dalla perossidasi
coniugata all’anticorpo secondario producendo un’intensa emissione di luce
a 440nm.
Gli anticorpi primari utilizzati sono i seguenti:
P-STAT1Tyr701 (Cell Signaling), diluito 1:1000 in 5% latte TBS-Tween,
STAT1 P84/p91 (Santa Cruz), diluito 1:1000 in 5% latte TBS-Tween,
β-actina (Sigma), diluito 1:20000 in 5% latte TBS-Tween.
L’anticorpo secondario è un anti rabbit (Santa Cruz) diluito 1:20000 in 5% latte TBS-
Tween.
3.5.4. MUTAGENESI
È stata fatta una PCR di mutagenesi del plasmide Clontech contenente la sequenza
codificante del gene STAT1 in frame con la GFP per ottenere le due forme mutate
L351F e L400V (Figura 3.4).
Abbiamo usato il QuikChange Lightning Site-Directed Mutagenesis Kit, della Agilent
Technologies. È stata preparata la seguente reazione di PCR come da protocollo:
o 5µl di 10x reaction buffer
o 80ng di DNA
o 125ng di primer sense
o 125ng di primer antisense
o 1µl di dNTPs 5mM
o 1,5µl di QuikSolution reagent
~ 56 ~
o 1µl di QuikChange Lightning Enzyme
o H2O fino a 51µl.
Il protocollo d’amplificazione eseguito nel termociclatore Mastercycler eppendorf è
il seguente:
o Denaturazione iniziale 95 °C per 2 minuti
o Denaturazione 95 °C per 20 secondi
o Annealing 60 °C per 10 secondi 18 cicli
o Extension 68 °C per 30 secondi/kb plasmide
o Extension finale 68 °C per 5 minuti
I primers utilizzati per inserire le mutazioni sono i seguenti
PRIMER SEQUENCE LENGHT TM GC
L400V sense AGTCCACCAATGGCAGTGTGGCGGCTG 27 71.0 63%
L400V antisense CAGCCGCCACACTGCCATTGGTGGACT 27 71.0 63%
G1053T sense ACTGTGAAGTTGAGACTGTTGGTGAAATTTCAAGAGCTGAATTATA 46 78.91 35%
G1053T antisense TATAATTCAGCTCTTGAAATTTCACCAACAGTCTCAACTTCACAGT 46 78.91 35%
Figura 3.4. Rappresentazione schematica del plasmide pEGFP-C1 contenente la regione codificante di STAT1. Plasmide utilizzato per la mutagenesi. La proteina di interesse è in frame all’ N-terminale con la GFP. La selezione delle cellule trasformate viene fatta per resistenza alla kanamicina.
~ 57 ~
3.5.5. DIGESTIONE DELL’AMPLIFICATO CON Dpn I
Per purificare il DNA mutato da quello wild-type, si procede con la digestione con
l’enzima di restrizione DpnI. Questo enzima è in grado di digerire solamente il DNA
metilato, quindi solamente quello replicato precedentemente dai batteri. Per fare
ciò aggiungiamo al prodotto di amplificazione 2µl dell’ enzima Dpn I e incubiamo
per 5 minuti a 37 °C.
3.5.6. TRASFORMAZIONE DEI BATTERI
Per l’amplificazione del nostro plasmide eseguiamo una trasformazione nei batteri
XL10-Gold Ultracompetent. Utilizziamo il kit della MACHEREY-NAGEL, Nucleo Bond
XTra Midi EF, seguendo il protocollo fornito.
o Si scongelano in ghiaccio 45µl di cellule batteriche.
o Si aggiungono 2µl di β-Mercaptoetanolo. Si agita e si incuba per 2 minuti in
ghiaccio.
o Si aggiungono 2µl di Dpn I-Treated DNA. Si agita e si incuba in ghiaccio per 30
minuti.
o Si esegue lo shock termico a 42 °C per 30 secondi.
o Si incubano in ghiaccio per 2 minuti.
o Alla fine si aggiungono 500µl di NZY+ broth preriscaldato a 37 °C.
o Si incuba a 37 °C per 1 ora, in agitazione.
o Si piastrano 200µl su una Petri con LB agar e kanamicina 50µg/ml.
Per ottenere la quantità di batteri adeguata per procedere con la midi-prep si
preleva una colonia dalla piastra e la si inocula in 5ml di terreno LB, con kanamicina
50µg/ml. La si lascia crescere per circa 8 ore a 37 °C. Si trasferisce 1ml di crescita in
50ml di terreno LB con kanamicina, e si lascia crescere overnight.
~ 58 ~
3.5.7. ESTRAZIONE DEL DNA PLASMIDICO DAI BATTERI
Si procede con la midi-prep utilizzando il kit della MACHERY-NAGEL, Endotoxin-free
plasmid DNA purification seguendo il protocollo fornito.
o I batteri vengono centrifugati a 6000rpm per 10 minuti a 4 °C.
o Il pellet è risospeso in 8ml di Resuspension Buffer RES-EF + RNase A.
o Si aggiungono 8ml di Lysis Buffer LYS-EF e si incuba per 5 minuti a
temperatura ambiente.
o Si aggiungono 8ml di Neutralization Buffer NEU-EF e si inverte.
o Si lascia in ghiaccio per 5 minuti.
o Si aggiunge il tutto al filtro precedentemente equilibrato con 15ml di
Equilibration Buffer EQU-EF.
o Quando tutto il lisato ha attraversato il filtro si procede con i lavaggi del filtro
stesso aggiungendo 5ml di Filter Wash Buffer FIL-EF.
o Si procede quindi con il secondo lavaggio con 35ml di Wash Buffer ENDO-EF.
o Alla fine si esegue il terzo lavaggio, con 15ml di Wash Buffer WASH-EF.
o Si eluisce il DNA in 5ml di Eluition Buffer ELU-EF.
o Si procede con la precipitazione del DNA così ottenuto: aggiungiamo 3.5ml di
isopropanolo e centrifughiamo a 15000 rpm per 30 minuti a 4 °C.
o Il pellet così ottenuto viene risospeso in 2ml di endotoxin-free 70% EtOH. Si
centrifuga nuovamente a 15000 rpm per 5 minuti a temperatura ambiente.
o Si risospende il DNA in 1ml di H2O-EF: si conserva a 4 °C.
~ 59 ~
4. RISULTATI
4.1 PAZIENTI
I pazienti da noi analizzati appartengono ad una coorte di soggetti affetti da
infezioni sintomatiche e ricorrenti sostenute da Candida albicans trattati presso
l’azienda Spedali Civili di Brescia.
All’interno di questo gruppo, uno dei pazienti (P5) presenta leggera candidosi
associata a mughetto ricorrente durante la terapia antibiotica e la risposta al
trattamento topico (miconazolo) risulta buona. In tutti i pazienti si osserva candidosi
ricorrenti delle alte vie respiratorie e infezioni polmonari. P5 nei primi anni di vita
presentava polmonite sostenuta da Pneumocystis Carinii; P2, P4 e P6 hanno
sofferto di infezione intermittenti sostenute da Pseudomonas aeruginosa, e nel P4
sono state valutate broncopolmoniti da Serratia Marescens. È interessante notare
che il P3 ha sviluppato un'infezione da Cryptococcus neoformans (Figura 4.1),
clinicamente manifestata come linfoadenopatia generalizzata, inoltre ha sofferto
anche di leishmaniosi viscerale disseminata. Nel P3 è stato possibile osservare una
maggiore suscettibilità alle infezioni virali . Tra le manifestazioni autoimmuni più
frequenti sono state osservate: ipotiroidismo che si è presentata in un terzo nella
nostra coorte di pazienti. La valutazione immunologica ha rivelato un basso numero
di linfociti CD4 + e CD8 + in 5 pazienti. I livelli sierici di immunoglobuline, TREC, e
saggi di proliferazione dei linfociti a mitogeni non hanno mostrato anomalie in tutti i
pazienti (dati non riportati).
La malattia polmonare cronica è la complicazione più comune e grave nella nostre
coorte di pazienti affetti da CMC e la diagnosi precoce delle problematiche
polmonari sono di fondamentale importanza per prevenire importanti
compromissioni respiratorie.
~ 60 ~
Una valutazione pneumologica accurata stata effettuata in tutti i pazienti, in
particolare dopo la diagnosi di CMC. Tutti i pazienti avevano storia di polmoniti
ricorrenti che nella maggior parte dei casi hanno richiesto l'ospedalizzazione e
terapia antibiotica endovenosa. Tre dei pazienti da noi studiati hanno riportato
esacerbazioni polmonari ricorrenti causate da patogeni opportunistici
(Pseudomonas aeruginosa, Serratia Marescens). Fino ad oggi, quattro pazienti qui
riportati hanno sviluppato progressivamente danni ai polmoni che in alcuni casi
sono diventati permanenti. Nel gruppo di pazienti da noi studiati si osservano
bronchiectasie e ispessimento delle pareti bronchiali che coinvolgono il lobo
inferiore sinistro del polmone e la lingua; Nei pazienti P4 e P6 le alterazioni
polmonari si osservano bilateralmente e coinvolgono anche il lobo medio (Figura
4.2). In tre pazienti le bronchi ectasie sono state identificate tardivamente causando
una compromissione della funzionalità respiratoria tale da rendere necessaria la
fisioterapia respiratoria con pressione espiratoria positiva (PEP) due o tre volte al
giorno, rispettivamente iniziata all'età di 30 (P2), 12 (P3), 14 (P5), e 6 (P6). Dall’
analisi delle spirometrie disponibili come test per misurare la funzione polmonare
si evince che i pazienti mostrano una tendenza a sviluppare malattia polmonare
ostruttiva progressiva, con un volume espiratorio forzato in 1 secondo (FEV1)
generalmente inferiori 80%, e ridotto flusso espiratorio forzato durante l'intervallo
25-75% della capacità vitale forzata (FEF 25-75 %) (Tabella 4.2). P5 ha subito un
rapido declino della sua funzione polmonare durante alcuni mesi caratterizzati da
esacerbazioni polmonari ricorrenti, ma lentamente migliorata aumentando la
fisioterapia respiratoria e iniziare la profilassi antibiotica con azitromicina. In tutti gli
altri parametri spirometrici pazienti stabilmente portato nel range di normalità (dati
non riportati). Essenziale è stata la compliance dei pazienti che sostenevano
fisioterapia respiratoria quotidiana per la riduzione della frequenza delle
esacerbazioni polmonari.
~ 61 ~
Figura 4.1.1. Sezione di linfonodo prelevata dal P3 con infezione da Cryptococcus.
Figura 4.1.2. TC toracica dei pazienti P2, P3, P4 e P6 con malattia polmonare cronica.
~ 62 ~
Tabella 4.2.3. Genetica, fenotipo clinico e immunologico dei pazienti con mutazioni GOF di STAT1.
~ 63 ~
Tabella 4.2.4. Progressione della funzionalità polmonare dei pazienti con mutazioni del gene STAT1 con malattia cronica polmonare.
4.2 CARATTERIZZAZIONE GENETICA DEI PAZIENTI AFFETTI DA CMC
Le infezioni ricorrenti causate da Candida albicans suggeriscono un difetto nella
risposta immunitaria coinvolta nella difesa nei confronti dei funghi. In letteratura
sono stati descritti pazienti con caratteristiche cliniche simili a quelle da noi
osservate per i quali è stato possibile identificare mutazioni a carico dei geni Card9 e
Dectin1 41 40. Per questo motivo abbiamo deciso di analizzare la sequenza
codificante di questi geni ma non è stata riscontrata alcuna alterazione. A seguito di
queste evidenze il paziente P1 e il paziente P2, rispettivamente madre e figlio, che
presentavano un quadro clinico sovrapponibile, sono stati sottoposti ad exome
sequencing. Grazie a questa tecnica è stata identificata in entrambi una stessa
mutazione a carico della regione codificante del gene STAT1: la L283M, mai
descritta in letteratura e da noi successivamente confermata attraverso
sequenziamento diretto. A seguito di questi risultati i nostri pazienti sono stati
sottoposti a sequenziamento diretto del gene STAT1 e sono state identificate altre
cinque mutazioni, tutte appartenenti al dominio di binding al DNA, in quattro
pazienti appartenenti a famiglie diverse: nei pazienti P4 e P5 la mutazione T385M
nel paziente P7 la mutazione A267V e sono state trovate le mutazioni L351F nei
pazienti P3 e P8 e L400V nel paziente, fino ad oggi mai descritte (Figura 4.2.6 e
4.2.7).
FVC (L) FVC (%pred)
FEV1 (L) FEV1 (%pred) FEV1/FVC (%) FEF25-75% (L/s)
P2
37 y/o NA 78 NA 74 83 NA
39 y/o 3,21 100 2,77 98 82 3,63
44 y/o 3,05 88 2,62 84 81 3,42
P3 22 y/o 3,05 64 2,37 59 78 2,09
26 y/o 3,54 75 2,58 64 73 1,87
33 y/o 3,05 68 2,17 58 71 1,49
P4 14 y/o 3,17 97 2,35 83 73 1,78
14,5 y/o 2,17 66 1,68 60 77 1,49
15 y/o 2,78 79 2,03 67 72 1,4
~ 64 ~
Figura 4.2.5. Elettroferogramma e albero genealogico dei pazienti.
Figura 4.2.6. Rappresentazione schematica delle posizioni delle mutazioni in STAT1 riscontrate nei pazienti affetti da CMC.
~ 65 ~
Tabella 4.2.7. Età, localizzazione e mutazioni riscontrate nei pazienti.
Patients Sex Age Mutation (c.DNA) Mutation
(aa change) Exon
Affected domain
P1 Male 11 c.(847T>A) L283M Exon 10 CCD
P2 Female 45 c.(847T>A) L283M Exon 10 CCD
P3 Male 33 c.(1441G>T) L351F Exon 12 DBD
P4 Male 15 c.(1542C>T) T385M Exon 14 DBD
P5 Male 10 c.(1542C>T) T385M Exon 14 DBD
P6 Female 7 c.(1198C>G) L400V Exon 14 DBD
P7 Female 14 c.(801T>A) A267V Exon 10 CCD
P8 Female 8 c.(1441G>T) L351F Exon 12 DBD
Tutte le mutazioni da noi qui riportate sono in eterozigosi come quanto era stato
precedentemente pubblicato dal gruppo del dott. Mihai G. Netea e dal gruppo del
dott. Jean-Laurent Casanova. In due lavori, questi gruppi avevano infatti associato
mutazioni Gain of Function in STAT1 a CMC a trasmissione autosomica dominante.
4.3 CARATTERIZZAZZIONE IMMUNOLOGICA DEI PAZIENTI AFFETTI
DA MUTAZIONI IN STAT1
Dall’emocromo dei sei pazienti in cui abbiamo riscontrato mutazioni in STAT1, si
può osservare che 2 dei 6 pazienti presentavano una lieve linfopenia (paziente 1 e
3), mentre il numero di granulociti neutrofili era nella norma. Anche monociti e
granulociti eosinofili rientravano nei limiti di norma (Tabella 4.3.1).
Pz.1 Pz.2 Pz.3 Pz.4 Pz.5 Pz.6
Neutrofili* 5540 2980 3680 2990 4160 7650
Linfociti* 1200 2220 1130 1600 1560 2480
Monociti* 640 880 570 460 370 900
Eosinofili* 140 620 60 40 220 230
* cellule/ µl Tabella 4.3.1. Valori dei leucociti da sangue periferico dei pazienti.
~ 66 ~
Per avere una caratterizzazione immunologica più completa ed esaustiva dei
pazienti è stato eseguito un immunofenotipo.
I valori assoluti delle sottopopolazioni linfocitarie, non erano significativamente
alterati (tabella 4.3.2).
Valori assoluti
Pz.1 Pz.2 Pz.3 Pz.4 Pz.5 Pz.6
Età (anni) 44 10 32 14 9 6
CD3 1026 1538 731 1312 1308 1140
CD4 744 770 421 716 358 518
CD4/DR 26 50 45 30 34 30
CD4 naive 470 465 179 416 149 286
RTE 363 412 151 311 125 261
CD4 CM 167 137 125 187 152 167
CD4 EM 84 137 111 96 54 53
CD4 TD 20 29 4 17 2 10
CD8 208 424 272 464 822 478
CD8/DR 6 70 49 29 304 91
CD8 naive 174 268 109 281 263 151
CD8 CM 5 8 7 14 27 7
CD8 EM 13 51 59 92 459 131
CD8 TD 15 96 96 76 71 187
CD19 87 399 335 212 98 1054
CD16 49 228 7 60 115 220
Tabella 4.3.2 In tabella sono riportati i valori delle sottopopolazioni linfocitarie, espresse in cellule/µl, dei diversi pazienti.
Anche i valori percentuali delle sottopopolazioni linfocitarie dei pazienti
confrontati, in questo caso con le medie della popolazione sana relative a tre
diverse fasce d’età, non mostravano variazioni significative (Tabella 4.3.3).
~ 67 ~
Valori percentuali
Pz.1 Pz2 Pz.3 Pz.4 Pz.5 Pz.6
Età (anni) 44 10 32 14 9 6
Range adulti Range 11-16 anni
Range 5-10 anni
CD3 85,5 69,3 64,7 82 83,9 46 66,6 - 86,1 % 60,5 - 79,8 % 58,1 - 89,6 %
CD4 62 34,7 37,3 44,8 23 20,9 31,7 - 60,2 % 30,3 - 48,3 % 26,7 - 47,6 %
CD4/DR 3,6 6,6 10,9 4,2 9,7 5,9 1,4 - 17,6 % 1,4 - 17,6 % 1,4 - 17,6 %
CD4 naive 63,3 60,4 42,5 58,1 41,6 55,3 17,2 - 61,0 % 34,3 - 74,6 % 43,5 - 74,6 %
RTE 48,8 53,6 35,9 43,5 34,9 50,5 9,5 - 51,9 % 21,1 - 63,5 % 36,7 - 63,5 %
CD4 CM 22,5 17,9 29,7 26,2 42,5 32,3 14,2 - 43,1 % 13,0 - 43,5 % 13,0 - 30,8 %
CD4 EM 11,4 17,8 26,4 13,4 15,2 10,4 15,3 - 58,2 % 8,5 - 28,1 % 8,9 - 28,3 %
CD4 TD 2,8 3,8 1,1 2,5 0,7 2 0,4 - 7,0 % 0,7 - 6,6 % 0,7 - 9,5 %
CD8 17,4 19,1 24,1 29 52,7 19,3 14,7 - 39,4 % 13,8 - 37,5 % 15,0 - 34,7 %
CD8/DR 3 16,6 18,3 6,3 37 19,2 2,1 - 52,0 % 2,1 - 52,0 % 2,1 - 52,0 %
CD8 naive 83,4 63,3 40,3 60,6 32 31,7 4,1 - 63,0 % 26,7 - 72,9 % 22,2 - 76,8 %
CD8 CM 2,5 1,9 2,6 3,2 3,3 1,6 0,2 - 18,4 % 1,2 - 11,6 % 1,3 - 5,1 %
CD8 EM 6,6 12,2 21,7 19,9 55,9 27,4 7,8 - 52,8 % 6,0 - 53,6 % 13,6 - 48,2 %
CD8 TD 7,4 22,7 35,5 16,4 8,7 39,2 16,8 - 64,0 % 3,9 - 72,0 % 4,0 - 39,5 %
CD19 7,3 18 29,7 13,3 6,3 42,5 4,2 - 11,7 % 5,7 - 19,7 % 5,9 - 17.8 %
CD16 4,1 10,3 0,7 3,8 7,4 8,9 4,4 - 23,6 % 4,6 - 27,8 % 6,7 - 28.4 %
Tabella 4.3.3. In tabella sono riportate le percentuali delle sottopopolazioni linfocitarie, espresse in cellule/µl, dei diversi pazienti.
~ 68 ~
4.4 LE NUOVE MUTAZIONI PORTANO A UN’ AUMENTO DEI LIVELLI
DI FOSFORILAZIONE DI STAT1
Tra le caratteristiche che ci permettono di classificare le mutazioni in stat1 come
mutazioni gain of function, i livelli di fosforilazione della proteina sono
fondamentali. Quindi è stata studiata la risposta di STAT1 in citofluorimetria in
seguito a stimolazione con IFN-α e IFN-γ utilizzando diverse sottopopolazini cellulari
isolate da PBMC ottenuti da sangue periferico dei pazienti e dei controlli. In questo
modo e’ stato possibile osservare maggiori livelli di fosforilazione della proteina in
questione nei pazienti rispetto ai controlli sani, sia stimolando con IFN-γ i monociti
CD14+ che stimolando i linfociti CD3+ con IFN-α (Figura 4.4.1A e 4.4.1B).
L’analisi citofluorimetrica dei livelli di fosforilazione di STAT1 e’ stata eseguita anche
sui PBMC purificati dai pazienti P1 e P2, P3 e P8, P6, P7 portatori di nuove mutazioni
confermando elevati livelli di pSTAT1 (Figura 4.4.1C).
~ 69 ~
Questi risultati sono in accordo con quanto già noto in letteratura, confermando
che anche le nuove mutazioni da noi identificate determinano un’ aumento dei
livelli di fosforilazione di STAT1 e un conseguente guadagno di funzione.
Figure 4.4.1. Mutazioni GOF di STAT1 associate a un’aumento dei livelli di pSTAT1. A e B: Valori delle MFI di pSTAT1 di linfociti T dopo stimolazione
con IFN-α e dei monociti dopo
trattamento con IFN-γ .C: marcatura intracellulare della tirosina fosforilata 701 di STAT1 (P701-YSTAT1) in cellule dei pazienti P1, P3, P6 and P8 successivamente a stimolazione con
IFN-α o IFN-γ dei linfociti T e dei monociti rispettivamente confrontata con quella dei controlli sani (HD). MFI, Mean Intensity Fluorescence.
P701-YSTAT1
P701-YSTAT1
~ 70 ~
4.5 VALUTAZIONE DELLA SOTTOPOPOLAZIONE TH17 NEI PAZIENTI
CON MUTAZIONI NEL GENE STAT1
La capacità del sistema immunitario di contrastare le infezioni causate da Candida
albicans è strettamente correlata all’azione antimicrobica innata dei tessuti
epiteliali che viene attivata da stimoli specifici. Le citochine maggiormente coinvolte
in questo processo IL-17A, IL-17F e IL-22 sono principalmente prodotte dalla
sottopopolazione linfocitaria TH17.
Per analizzare questa sottopopolazione si procede partendo da sangue periferico
dei pazienti e dei controlli: ogni paziente ha il proprio controllo in quanto le analisi
sono state condotte in tempi diversi (eccezione i pazienti 1 e 2 che sono stati
eseguiti contemporaneamente). Tutti i linfociti T estratti sono stimolati con
anticorpo anti CD3 (5 µg/ml), anti CD28 (750 ng/ml) e IL-2 (20 U/ml) per 5 giorni e
successivamente sono attivati per 6 ore con PMA (100 ng/ml) e ionomicina (750
ng/ml). Andando a valutare poi in citofluorimetria la produzione di IFN-γ e IL-17 è
possibile discriminare le cellule TH17 dalle TH1 e TH2, in quanto sono le uniche ad
essere IL-17 positive e IFN-γ negative.
In tutti i pazienti per i quali è stato possibile analizzare queste sottopopolazione (i
pazienti 1, 2, 3 e 4) abbiamo osservato un calo drastico della percentuale di questa
sottopopolazione rispetto ai controlli, indicando un’ incapacità dei linfociti T CD4+ a
differenziare in TH17. (Figura 4.5.1). Questa assenza è statisticamente significativa in
quanto il P value è minore di 0.005 (Figura 4.5.2).
~ 71 ~
Figura 4.5.1. Analisi citofluorimetrica delle cellule TH17. Valutazione della sottopopolazione di TH17. Nei grafici sono riportate le percentuali di questa sottopopolazione.
CNT P
0
1
2
3
Per
cen
tual
e T
H17
Figura 4.5.2. Analisi statistica delle percentuali delle cellule TH17. L’analisi è stata eseguita mediante il test statistico Mann Whitney non parametrico a due code con intervallo di confidenza del 95%.
~ 72 ~
4.6 EFFETTO DELLE MUTAZIONI SULLA CAPACITÀ DI STAT1 DI
LEGARE IL DNA
La peculiarità delle caratteristiche cliniche del paziente 3 ci ha indotto a valutare la
capacità di legame al DNA della sua forma mutata, L351F, mediante saggio EMSA:
Elettroforetic Mobility Shift Assay. In questo saggio, l’interazione è tanto più
potente quanto maggiore è l’intensità della banda visualizzata e per questo motivo
permette di valutare l’entità dell’interazione fra un fattore trascrizionale e la sua
sequenza oligonucleotidica target opportunamente marcata.
Le cellule B-EBV del paziente 3 sono state stimolate con IFN-β o IFN-γ e il saggio è
stato eseguito usando una sonda ad alta affinità di un elemento inducibile da STAT1
(GRR element localizzato nel promotore di FcγRI/CD64:
5’ - CTTTTCTGGGAAATACATCTCAAATCCTTGAAACATGCT- 3’
e una sonda ad alta affinità legante in modo specifico STAT3, high affinity c-sis-
inducible element (hSIE):
5’ – GTCGACATTTCCCGTAAATCG – 3’.
I risultati ottenuti sono stati confrontati con un controllo sano e con un paziente
con mutazione LOF di STAT1 (STAT1 deficient).
Attraverso western blot si osserva che l’espressione della proteina STAT1 e della sua
forma fosforilata in cellule con la mutazione LOF è significativamente ridotta
rispetto al controllo.
Nelle cellule esprimenti la forma mutata L351F, invece, la quota di proteina
fosforilata è significativamente aumentata rispetto al controllo. Da notare invece
che la quota di STAT1 non fosforilata è paragonabile a quella del controllo (Figura
4.6.1).
Dal saggio EMSA si evidenzia che la forma mutata L351F ha una elevata capacità di
legare il DNA. Infatti si vede come in risposta a IFN-β si ha un’ eccessiva formazione
dell’ omodimero STAT1-STAT1 rispetto al controllo; nella forma causativa della
~ 73 ~
MSMD, al contrario, si osserva la sola formazione dell’omodimero STAT3-STAT3
(Figura 4.6.2).
Figura 4.6.1. Western blot dei livelli di STAT1, STAT1-Y-P e actina condotto su 30 µg di estratti proteici delle linee EBV .
Figura 4.6.2. EMSA su estratti proteici di cellule esprimenti le tre diverse varianti alleliche di STAT1: wild-type, mutazione riscontrata nella MSMD, mutazione L351F (paziente 3).
~ 74 ~
4.7 LE NUOVE MUTAZIONI L351F E L400V PORTANO A
UN’AMUNETO DI ATTIVITA’ DI STAT1
La funzionalità biologica di STAT1 dopo la sua fosforilazione si compie con il legame
sotto forma di omodimero ad una sequenza specifica sul DNA: la sequenza GAS
(Gamma Activation Sequence).
Le mutazioni da noi identificate e non ancora note in letteratura, L351F e L400V,
sono state caratterizzate dal punto di vista funzionale transfettando cellule U3C
STAT1 deficienti con plasmidi codificanti i due alleli mutati e paragonate alla forma
wild-type.
I costrutti mutanti sono stati ottenuti attraverso mutagenesi sito-specifica. La
risposta alla stimolazione con diverse citochine sono state studiate misurando
l'attività luciferasica, utilizzando il rispettivo gene reporter posto sotto il controllo
della sequenza promotore GAS. Dopo stimolazione con IFN-γ o IL27, le cellule
transfettate con gli alleli L351F o L400V hanno determinato una attività
trascizionale più forte di quelle transfettate con la forma wild type di STAT1. La
stimolazione con concentrazioni crescenti (10, 100, 1000U / ml) di IFN-γ ha
confermato una attività maggiore delle cellule transfettate con alleli mutanti
rispetto a quelle transfettate con la forma di controllo di STAT1 (Figura 4.7.1).
Dal momento che l’efficienza di transfezione è stata valutata analizzando
l’espressione della proteina reporter GFP (Figura 4.7.2) clonata in frame all’N
terminale delle tre varianti alleliche di STAT1 possiamo confermare che le differenze
da noi osservate sono legate ad un’ aumentata funzionalità delle forme mutate.
~ 75 ~
NT WT
L351F L400V
Figura 4.7.1. Capacità di attivazione di GAS degli alleli mutati L351F e L400V dopo stimolazione con IFN-γ e IL-27. Induzione della capacità trascizionale attraverso la valutazione del gene reporter della luciferasi posto sotto il controllo di GAS in cellule U3C transfettate con la forma WT e dei due alleli mutati (L351F e L400V). Le cellule sono state
stimolate con IFN-γ o IL27 (A) e con concentrazioni crescenti di IFN-γ(B).
Figura 4.7.2. Percentuali di espressione della GFP. A lato sono riportate le percentuali di cellule U3C esprimenti la proteina GFP. In alto sono riportati i valori delle percentuali in istogramma.
B A
~ 76 ~
4.8 EFFETTO DELLE MUTAZIONI GOF DI STAT1 SULLA
PROLIFERAZIONE DELLE CELLULE NK
La difficoltà di differenziare in vitro le cellule NK per i pazienti con mutazioni GOF di
STAT1 ha suggerito la possibilità che questa sottopopolazione potesse avere delle
difficoltà di duplicazione. Con lo scopo di valutare questo aspetto le cellule NK sono
state stimolate con IL15 per 48h sia in presenza che in assenza di IL2. La capacità di
proliferazione è stata valutata in citofluorimetria attraverso la quantificazione
dell’espressione del marcatore Ki67.
B
C
A
Figura 4.8.1. Saggio di proliferazione. Le cellule NK ottenute per differenziamento partendo da PBMC estratti dal sangue periferico dai pazienti affetti da mutazioni in STAT1 sono state coltivate in vitro per 48h in presenza di IL2 (A), IL15 (C) e IL2 + IL15 (B). L’effetto della stimolazione sulla proliferazione è stato quantificato valutando l’espressione del marcatore Ki67 con la tecnica della citofluorimetria.
~ 77 ~
Dall’analisi dei datti ottenuti è stato possibile osservare la ridotta espressione del
marcatore di proliferazione Ki67 nelle cellule NK dei pazienti affetti da CMC rispetto
ai controlli sani (HD). Queste evidenze confermano la minore capacità di queste
cellule di proliferare rispetto a quelle dei soggetti sani.
4.9 VALUTAZIONE DELL’ATTIVITÀ CITOTOSSICA DELLE CELLULE NK
DEI PAZIENTI CON MUTAZIONI GOF DI STAT1
Oltre alla classica presenza di C. albicans osservata nei casi di CMC, abbiamo
riscontrato che alcuni pazienti presentavano un decorso più grave di infezioni virali;
inoltre, il paziente 3 ha sviluppato infezione linfonodale da Criptococco (linfadenite
adenomatosa necrotizzante) e leishmaniasi viscerale. Il Criptococco e la Leishmania
sono patogeni intracellulari verso i quali è cruciale la produzione di IFN-γ.
L’incapacità di contrastare efficacemente questo tipo di infezioni suggeriva pertanto
un possibile deficit funzionale dei linfociti natural killer (NK). Le cellule NK svolgono
infatti un ruolo fondamentale in questo tipo di risposta immunitaria e sono
importanti produttori di IFN-γ.
Per definire la capacità funzionale delle cellule NK derivate dagli 8 pazienti affetti da
mutazioni STAT1, è stata valutata l'attività citotossica attraverso la quantificazione
dell’ espressione della proteina CD107a. CD107a è un marcatore di degranulazione
delle cellule NK, e la sua valutazione è stata effetuata sulle cellule CD56 + CD3- dopo
l'esposizione di queste alla linea cellulare eritroleucemica umana K562. La
determinazione di CD107a è stata effettuata prima (Figura 4.12A) e dopo
stimolazione over-night con IL-2 (Figura 4.12B).
L'attività citolitica cellule NK-resting derivate dai pazienti è risultata lievemente
ridotta rispetto a quella dei controlli sani (valori medi: 14% vs 20%). La capacità
litica delle cellule NK dei pazienti STAT1 stimolate con IL-2 risulta aumenta (valore
medio 48%) come per i controlli (valore medio 62%), anche se, il valore medio di
espressione CD107a nei pazienti affetti da CMC è leggermente inferiore a quella dei
controlli.
~ 78 ~
-IL2+K562
C P
0
10
20
30
40%
CD
107a
+IL2+K562
C P
0
20
40
60
80
% C
D10
7a
Figura 4.9.1.Valutazione dell’ espressione di CD107a in cellule NK prima e dopo stimolazione con IL2. Cellule NK dei pazienti e dei controlli sani sono state esposte a cellule K562 sia in presenza che in assenza di IL2. La valutazione di del marcatore di de granulazione CD107a è stata eseguita in citofluorimetria.
4.10 LE CELLULE NK DEI PAZIENTI GOF DI STAT1 STIMOLATE CON
IL15 PRODUCONO MENO IFN-γ
Le cellule NK attivate rilasciano molte citochine che influenzano anche funzioni
effettrici del sistema immunitario. Abbiamo analizzato la produzione di IFN-γ
attraverso la stimolazione con IL15 (Figura 4.9.1A) e IL-12 + IL18 (figura 4.9.1B) in
cellule NK attivate di pazienti e di controlli sani. Attraverso questa analisi è stato
possibile osservare una diminuzione di produzione di IFN-γ in tutti i pazienti,
soprattutto a seguito della stimolazione con IL15. (Figura
4.9.1)
A B
~ 79 ~
IL12+IL18
C P
0
20
40
60
80
100IF
Ng
+IL15
C P
0
5
10
15
IFN
g
Figura 4.10.1.Produzione di IFN-γ dopo stimolazione con IL15 e IL12+IL18.
Cellule NK dei pazienti e dei controlli sani sono state stimolate con IL15(B) e IL12+IL18(A) e
successivamente è stata analizzata la produzione di IFN-γ attraverso la citometria di flusso.
4.11 ATTIVAZIONE DI STAT1 E DI STAT5 NEI PAZIENTI CON
MUTAZIONE DI STAT1
Per studiare la funzionalità delle cellule NK dei pazienti da noi analizzati, le cellule
dei controlli sani e di P6 e P7 sono state stimolate con IFN-α (10000U / ml per 30
minuti), IL2 (100 ng / ml per 12 minuti), IL15 (50 ng / ml per 12 minuti) e IL21 (50 ng
/ ml per 15 minuti). La fosforilazione di STAT1 e STAT5 è stata valutata con le
tecniche di western-blot e citofluorimetrica.
Dall'analisi di Western Blot, dopo stimolazione con IFN-α, i livelli di fosforilazione di
STAT1 sono maggiori nelle cellule del P7 rispetto ai controlli sani (Figura 4.10.1).
Inoltre la fosforilazione di
STAT1 , valutata mediante
A B
Figura 4.10.1.Valutazione dell’attivazione di STAT1 e STAT5. Cellule NK dei pazienti e dei controlli sani sono state stimolate con IL2
(100 ng / ml), IFN-α (10000U / ml), IL15 (50 ng / ml) e IL21 (50 ng / ml) e successivamente è stata analizzata la fosforilazione di STAT1 e STAT5.
~ 80 ~
western blot e citofluorimetria, stimolando con IL2 e IL15 è maggiore nelle cellule
NK dei pazienti P6 e P7 rispetto a quanto si osserva nel controllo sano; da questo si
può valutare che le cellule NK di questi due pazienti hanno una quantità di P-Tyr701
STAT1 dopo trattamento con IL2 e IL15 (Figura 4.10.1 e 4.10.2), di circa 3 volte
maggiore rispetto al normale.
Un’ aumento della fosforilazione STAT1 dopo stimolazione è presente in tutti i
pazienti esaminati confermando ancora una volta il carattere GOF di queste
mutazioni. Infatti questo si ottiene anche dopo stimolazione con le citochine IL2 e
IL15 (Figura 4.10.3). Non si osserva alcuna attivazione di STAT1 stimolando con IL21
sia nei pazienti che nei controlli.
Figura 4.11.2.Produzione di IFN-γ dopo stimolazione con IL15 e IL12+IL18. Cellule NK dei pazienti e dei controlli sani sono state stimolate con IL15 e IL12+IL18 e
successivamente è stata analizzata la produzione di IFN-γ attraverso la citometria di flusso.
~ 81 ~
Figura 4.10.3. Confronto fra pazienti e controlli dei livelli di fosforilazione di STAT1 e STAT5. Cellule NK dei pazienti e dei controlli sani sono state stimolate con IL2 e IL15 e successivamente sono stati valutati i livelli di fosforilazione di STAT1 e STAT5 e confrontati i valori di MFI.
E’ stata valutata anche l'attivazione di STAT5 utilizzando un anticorpo specifico
diretto contro la tirosina fosforilata (P-Tyr 694 STAT5). I pazienti GOF per STAT1
hanno mostrato livelli più bassi di STAT5P sia dopo stimolazione con IL2 che con
IL15. Queste evidenze sono state confermate sia in Western Blot (Figura 4.14) che in
citofluorimetria (Figura 4.15), dal momento che le cellule NK sia di P7 che di P8
mostrano una drastica riduzione dei livelli di fosforilazione di STAT5, rispetto a quelli
osservati nelle cellule dei controlli sani.(Figura 4.15 e 4.16).
La riduzione dell’ attivazione di STAT5, dopo stimolazione con IL2 e IL15 ,in tutti i
pazienti con mutazione GOF di STAT1 (Figura 4.16), suggerisce la possibilità che
queste mutazioni possano influenzare in qualche modo i meccanismi che
concorrono all’ attivazione di STAT5.
~ 82 ~
5. DISCUSSIONE
La Candidiasi Mucocutanea Cronica (CMC) comprende un quadro clinico nel quale si
manifestano frequenti e gravi infezioni mucosali sostenute da Candida albicans.
La Candida albicans è un fungo saprofita che diventa causa di infezioni invalidanti in
soggetti che presentano un deficit della risposta immunitaria come
immunodeficienze primitive e immunodeficienze acquisite.
Il riconoscimento di questo patogeno avviene attraverso recettori di membrana
espressi dalle cellule dell’ immunità innata quali Dectin-1, TLR4 e TLR2 che legano
rispettivamente i β-glucani, i mannani O-linked e i fosfolipomannani espressi dal
fungo. Questa interazione innesca un pathway intracellulare che coinvolge diverse
proteine, tra cui Card9, MYD88 e NFκB, stimolando la produzione di IL-1β e IL-18,
rispettivamente fondamentali per lo sviluppo di cellule TH17, TH1 e componenti
dell’immunità adattativa importanti per eliminare questo patogeno.
Nei soggetti affetti da CMC sono state dimostrate come causative alterazioni della
sequenza codificante di diversi geni come Dectin-1, AIRE, CARD9, CD25, DOCK8, IL-
12Rb1, IL-17RA, IL-17F, STAT1, STAT3 e TYK2.
Nel 2011, in letteratura, è stata descritta la prima mutazione in STAT1 come
responsabile dello sviluppo di CMC.
STAT1 appartiene alla famiglia delle proteine STATs (Signal Transducers and
Activators of Trancription) la cui funzionalità dipende dalla sua fosforilazione da
parte di specifici enzimi associati al recettore appartenenti alla famiglia delle JAK
chinasi. La fosforilazione permette la formazione di dimeri che possono traslocare
nel nucleo e legare sequenze specifiche presenti sul DNA: Gamma Activated
Sequence (GAS) e Interferon Stimulated Response Elements (ISRE). Tra le citochine
in grado di regolare la funzionalità di STAT1, gli IFNs giocano un ruolo
fondamentale. Nel caso lo stimolo attivatorio derivi dagli IFNs di tipo II si forma un
omodimero di STAT1 il quale lega in modo specifico la sequenza
~ 83 ~
GAS. Mentre gli IFN di tipo I attivano gli STATs portando alla formazione di etero
dimeri STAT1-STAT3 /STAT1-STAT2 che legano prevalentemente la sequenza ISRE.
Il gene STAT1 rappresenta un esempio di eterogeneità allelica in quanto questo
mediatore del segnale, se mutato, oltre che essere causa di CMC è stato associato
anche allo sviluppo di MSMD. In quest’ultimo caso sono state identificate mutazioni
che determinano una perdita di funzione della proteina STAT1, causando un deficit
della risposta immunitaria verso patogeni intracellulari quali micobatteri e virus
(Loss of Function). Al contrario, nel caso della CMC, le mutazioni in STAT1
determinano un aumento della funzionalità della proteina che portano ad un
aumento della quota di STAT1 fosforilato sia a livello nucleare che citoplasmatico
(Gain of Function).
Questa caratteristica Gain of Function è stata associata all’assenza della
sottopopolazione linfocitaria TH17 riscontrabile nei pazienti.
Infatti fisiologicamente lo sviluppo di queste cellule è inibito da citochine quali IFN-
α, IFN-β, IFN-γ, IL-27 via STAT1, mentre è attivato da citochine quali IL-6 e IL-21 che
attivano prevalentemente STAT3. Nel caso di mutazioni GOF in risposta a tutte
queste citochine si ha attivazione predominante di STAT1, con conseguente blocco
del differenziamento verso la sottopopolazione TH17. Questa assenza diventa causa
diretta dell’aumentata suscettibilità alle infezioni sostenute da C. albicans, in
quanto l’IL-17, citochina prodotta da queste cellule, è fondamentale per debellare il
fungo.
Nello studio condotto in questa tesi abbiamo preso in considerazione una coorte di
pazienti presentanti un quadro clinico di Candidiasi Mucocutanea Cronica.
Come primo approccio sono state indagate le regioni codificanti dei geni Card9 e
Dectin1, noti in letteratura essere causativi di CMC. L’indagine è stata condotta
attraverso sequenziamento diretto e non sono state identificate alterazioni nelle
regioni codificanti.
Successivamente è stata valutata la sequenza codificante del gene STAT1 e in otto
pazienti sono state evidenziate cinque diverse mutazioni.
~ 84 ~
Nei pazienti P1 e P2, rispettivamente madre e figlio, è stata trovata la mutazione
L283M, nel paziente P3 e P8 la mutazione L351F, nei pazienti P4 e P5 (appartenenti
a famiglie diverse) la mutazione T385M, nel paziente P7 la mutazione A267V e nel
paziente P6 la sostituzione L400V.
Le alterazioni L283M e A267V sono localizzate nel dominio coiled-coil, le altre
invece colpiscono il dominio di binding al DNA (L351F, T385M e L400V). In
particolare, le mutazioni L315F, L400V e L283M non sono ancora state descritte in
letteratura.
Clinicamente, la candidiasi mucocutanea cronica rappresenta la manifestazione
principale e caratteristica nella maggior parte di questi pazienti, ma la gravità
sintomatologica varia ampiamente: la candidiasi si presenta comunemente come
cronica recidivante e l'infezione può diventare debilitante, ma potrebbe anche
essere presente in una forma lieve, rilevabile solo dopo discussione dettagliata della
storia medica o si manifesta solo durante la terapia antibiotica. Da segnalare il
rischio di sviluppo di resistenza al trattamento farmacologico, con conseguente
infezione cronica da Candida. I pazienti sono spesso affetti da infezioni batteriche
fin dalla prima infanzia spesso accompagnante anche da malattie virali:
principalmente da herpes virus, causando elevata morbilità e aumento del rischio di
mortalità. Di conseguenza, il fenotipo infettivo può somigliare a un’
immunodeficienza combinata, anche se i parametri immunologici possono essere
normali. La linfopenia, che si manifesta con la riduzione delle sottopopolazioni
CD4 + e CD8 +, anche se non è costantemente presente, non sempre si correla con
specifici episodi infettivi e può progredire con l'età. Allo stato attuale, mettendo a
confronto i vari fenotipi riportati in letteratura non è possibile fare alcuna
correlazione genotipo-fenotipo, ma alcune manifestazioni possono essere
considerate caratteristiche. In riferimento alla nostra casistica, la variante L351F
sembra essere associata ad una maggiore suscettibilità alle infezioni virali in
entrambi i pazienti che presentano questa alterazione genetica. Inoltre, la variante
T385M si manifesta in modo diverso nei due pazienti anche se hanno età e sesso
paragonabile: P4 soffre di infezioni delle basse vie respiratorie gravi e ricorrenti e ha
~ 85 ~
sviluppato bronchiectasie e malattia polmonare cronica nel periodo adolescenziale.
P5 presenta malattia da reflusso grave e ernia iatale in concomitanza con candidiasi
esofagea. Questi fenotipi sono simili con altri casi descritti in letteratura che
presentavano la stessa mutazione; infatti, anche questi manifestavano le maggiori
problematiche a livello gastrointestinale, respiratorio e anche una
immunodeficienza combinata progressiva che li predisponeva a infezioni fatali.
Nella nostra coorte, la nuova mutazione L400V sembrerebbe essere associata allo
sviluppo precoce di bronchiectasie.
In questi pazienti la malattia polmonare cronica rappresenta un'importante
complicanza che può progredire lentamente in età adulta e portare a danni
permanenti ai polmoni che predispone a esacerbazioni polmonari ricorrenti e
elevata morbilità.
La caratterizzazione immunologica e l’emocromo di questi pazienti non ha rilevato
significative alterazioni.
In letteratura è stato dimostrato che le mutazioni GOF inducono un aumento della
fosforilazione della proteina STAT1 in risposta a stimoli quali IFN-α e IFN-γ. Per
questo motivo è stata valutata la risposta a IFN-α sui linfociti T su sangue periferico
dei pazienti mediante analisi citofluorimetrica.
Tutti i pazienti mostravano un notevole aumento della fosforilazione di STAT1 dopo
stimolazione rispetto ai relativi controlli.
Questo è stato confermato anche dall’analisi dell’indice di fluorescenza (FI) dove
tutti i pazienti mostravano un valore di FI visibilmente maggiore dei controlli e
statisticamente significativo.
Dall’ analisi citofluorimetrica della sottopopolazione TH17, è stato possibile
osservare la quasi totale assenza di queste cellule in tutti e otto i pazienti.
Inoltre, le forme GOF del gene STAT1 possiedono anche un’ aumentata capacità di
legare le sequenze consensus al DNA. Quindi, è stato indagato questo aspetto nel
paziente 3 mediante saggio EMSA. In questo modo è stato confermato che la
mutazione L351F è in grado di determinare un notevole aumento della capacità di
~ 86 ~
binding al DNA, che presumibilmente si traduce in un aumento di attività
trascrizionale, in accordo con quanto descritto in letteratura.
Per caratterizzare ulteriormente le mutazioni L351F e L400V, non ancora note in
letteratura, è stata indagata la loro capacità trascrizionale con un saggio della
luciferasi. Questo saggio è stato effettuato su cellule U3C KO per STAT1,
transfettate con le due forme mutate. Dopo aver determinato l’efficienza di
transfezione, le cellule sono state stimolate con IFN-γ e IL-27, hanno mostrato un’
aumentata capacità di indurre la trascrizione del gene reporter della luciferasi posto
sotto il controllo della sequenza promotore GAS, rispetto alla forma wild type.
Nella CMC la C. Albicans non rappresenta l’unico patogeno a causare infezioni, ma
come abbiamo descritto prima, molto spesso questi soggetti soffrono di infezioni
causate anche da altri patogeni. L’ assenza dei Th17 non è sufficiente per spiegare
un quadro così eterogeneo come quello che si osserva nei pazienti affetti da CMC.
La difficoltà di molti di questi soggetti di far fronte alle infezioni sostenute da
patogeni intracellulari e da virus ci ha fatto sospettare che ci potesse essere un
deficit della funzionalità delle cellule Natural Killer (NK).
Si è quindi pensato di valutare l’attività citotossica di queste cellule in tutti e otto i
pazienti.
L' attività citolitica cellule NK derivate dai pazienti e è risultata lievemente ridotta
rispetto a quella dei controlli sani (valori medi: 14% vs 20%). La capacità litica delle
cellule NK dei pazienti STAT1 stimolate con IL-2 aumenta (valore medio 48%) come
per i controlli (valore medio 62%), anche se, il valore medio di espressione CD107a
nei pazienti affetti da CMC è leggermente inferiore a quella dei controlli.
Oltre a questa differenza, un’ aspetto è risultato subito evidente: la difficoltà di
differenziare e sviluppare delle cellule NK dei pazienti affetti da CMC. A tale
proposito è stata valutata la capacità di proliferare di queste cellule attraverso la
quantificazione citofluorimetrica di Ki67, marcatore tipico di proliferazione. In
questo modo è stato possibile apprezzare la difficoltà delle cellule NK dei pazienti
con mutazioni GOF di STAT1 rispetto a quelle dei controlli sani dopo che sono state
stimolate per 48h con IL2, IL15 e enatrambe.
~ 87 ~
Con lo scopo di caratterizzare al meglio la funzionalità di queste cellule, abbiamo
valutato la capacità delle cellule NK di produrre IFN-γ in risposta all’IL15 e IL12+IL18.
In questo modo abbiamo osservato una ridotta produzione di IFN-γ da parte delle
cellule dei pazienti dopo stimolazione con IL15
Inoltre, le cellule NK dei pazienti e dei controlli sani sono state stimolate con IL2 e
IL15 e i pazienti GOF per STAT1 hanno mostrato livelli più bassi di STAT5P sia dopo
stimolazione con IL2 che con IL15. Queste evidenze sono state confermate sia in
Western Blot che in citofluorimetria dal momento che le cellule NK sia di P7 che di
P8 mostrano una drastica riduzione dei livelli di fosforilazione di STAT5, rispetto a
quanto osservato nelle cellule dei controlli sani.
La riduzione dell’ attivazione di STAT5 dopo stimolazione con IL2 e IL15 e la ridotta
proliferazione delle celle NK in tutti i pazienti con mutazione GOF di STAT1,
suggerisce la possibilità che queste mutazioni possano influenzare in qualche modo
le vie di segnale che coinvolgono STAT5; confermando una alterazione dell’attività
di questa sottopopolazione cellulare che concorda con l’eterogenicità clinica della
CMC.
Chiaramente sono necessari ulteriori studi che chiariscano come mutazioni
differenti dello stesso gene possano incidere diversamente sulla funzionalità della
proteina STAT1 e come questo possa influire anche sullo sviluppo e funzionalità
delle cellule NK. Particolarmente interessante potrebbe essere riuscire a capire i
meccanismi che legano le mutazioni GOF di STAT1 a una riduzione dei livelli di
fosforilazione di STAT5 nelle cellule NK di questi pazienti
Fonti: 77; 78; 79;.
~ 88 ~
6. CONCLUSIONI Il gene STAT1, Signal Transducers and Activators of Trancription 1, è coinvolto nella
patogenesi di due gravi forme di immunodeficienze primitive: la MSMD
(Suscettibilità Mendeliana alla Micobatteriosi) e la CMC (Candidiasi Mucocutanea
Cronica). In ciascuna di queste patologie sono state identificate più mutazioni e si
può quindi affermare che STAT1 presenta un alto grado di eterogeneità allelica.
I risultati da noi ottenuti in questo lavoro confermano un’ aumentata fosforilazione
della proteina STAT1 e una sua aumentata capacità trascrizionale in accordo con
quanto descritto in letteratura, confermando quindi la natura Gain of Function delle
mutazioni.
Le due nuove mutazioni da noi identificate, L351F, L283M e L400V, possono essere
considerate causative della CMC, in quanto anche per esse è stata confermata come
conseguenza di tali sostituzioni un’ aumentata attività biologica della proteina
codificata, in linea con le alterazione generate dalle forme causative già descritte in
letteratura. Questa considerazione è stata avvalorata dal fatto che queste
alterazioni genetiche non sono state identificate in un pool di 100 controlli sani.
È necessario però, eseguire ulteriori studi per capire come queste mutazioni
possano influire negativamente sullo sviluppo dei linfociti TH17, in quanto il ruolo
giocato da STAT1 nel differenziamento e nella funzionalità di queste cellule non è
ancora del tutto chiaro.
Infine, i difetti osservati nella funzionalità delle cellule NK rappresentano un primo
passo per cercare di spiegare l’elevata eterogenicità clinica dei pazienti affetti da
CMC.
Comprendere come mutazioni GOF di STAT1, possano influenzare la funzionalità
delle cellule NK e interferire con le vie di segnale che mediano l’ attivazione di
STAT5 rappresenterà una sfida molto interessante da affrontare in futuro.
~ 89 ~
7. BIBLIOGRAFIA
1. Casanova J-L, Abel L. Genetic dissection of immunity to mycobacteria: the human model. Annu Rev Immunol. 2002;20:581-620. doi:10.1146/annurev.immunol.20.081501.125851.
2. Alcaïs A, Fieschi C, Abel L, Casanova J-L. Tuberculosis in children and adults: two distinct genetic diseases. J Exp Med. 2005;202(12):1617-21. doi:10.1084/jem.20052302.
3. Dorman SE, Holland SM. Interferon-gamma and interleukin-12 pathway defects and human disease. Cytokine Growth Factor Rev. 2000;11(4):321-33. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10959079. Accessed May 13, 2014.
4. MacLennan C, Fieschi C, Lammas DA, et al. Interleukin (IL)-12 and IL-23 are key cytokines for immunity against Salmonella in humans. J Infect Dis. 2004;190(10):1755-7. doi:10.1086/425021.
5. Picard C, Fieschi C, Altare F, et al. Inherited interleukin-12 deficiency: IL12B genotype and clinical phenotype of 13 patients from six kindreds. Am J Hum
Genet. 2002;70(2):336-48. doi:10.1086/338625.
6. Roesler J, Kofink B, Wendisch J, et al. Listeria monocytogenes and recurrent mycobacterial infections in a child with complete interferon-gamma-receptor (IFNgammaR1) deficiency: mutational analysis and evaluation of therapeutic options. Exp Hematol. 1999;27(9):1368-74. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10480427. Accessed May 13, 2014.
7. Zerbe CS, Holland SM. Disseminated histoplasmosis in persons with interferon-gamma receptor 1 deficiency. Clin Infect Dis. 2005;41(4):e38-41. doi:10.1086/432120.
8. Sanal O, Turkkani G, Gumruk F, et al. A case of interleukin-12 receptor beta-1 deficiency with recurrent leishmaniasis. Pediatr Infect Dis J. 2007;26(4):366-8. doi:10.1097/01.inf.0000258696.64507.0f.
9. Newport MJ, Huxley CM, Huston S, et al. A mutation in the interferon-gamma-receptor gene and susceptibility to mycobacterial infection. N Engl J
Med. 1996;335(26):1941-9. doi:10.1056/NEJM199612263352602.
~ 90 ~
10. Filipe-Santos O, Bustamante J, Chapgier A, et al. Inborn errors of IL-12/23- and IFN-gamma-mediated immunity: molecular, cellular, and clinical features. Semin Immunol. 2006;18(6):347-61. doi:10.1016/j.smim.2006.07.010.
11. Pierre-Audigier C, Jouanguy E, Lamhamedi S, et al. Fatal disseminated Mycobacterium smegmatis infection in a child with inherited interferon gamma receptor deficiency. Clin Infect Dis. 1997;24(5):982-4. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9142806. Accessed May 13, 2014.
12. Altare F, Jouanguy E, Lamhamedi-Cherradi S, et al. A causative relationship between mutant IFNgR1 alleles and impaired cellular response to IFNgamma in a compound heterozygous child. Am J Hum Genet. 1998;62(3):723-6. doi:10.1086/301750.
13. Holland SM, Dorman SE, Kwon A, et al. Abnormal regulation of interferon-gamma, interleukin-12, and tumor necrosis factor-alpha in human interferon-gamma receptor 1 deficiency. J Infect Dis. 1998;178(4):1095-104. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9806040. Accessed May 13, 2014.
14. Koscielniak E, de Boer T, Dupuis S, Naumann L, Casanova JL, Ottenhoff THM. Disseminated Mycobacterium peregrinum infection in a child with complete interferon-gamma receptor-1 deficiency. Pediatr Infect Dis J. 2003;22(4):378-80. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12712974. Accessed May 13, 2014.
15. Allende LM, López-Goyanes A, Paz-Artal E, et al. A point mutation in a domain of gamma interferon receptor 1 provokes severe immunodeficiency. Clin
Diagn Lab Immunol. 2001;8(1):133-7. doi:10.1128/CDLI.8.1.133-137.2001.
16. Jouanguy E, Dupuis S, Pallier A, et al. In a novel form of IFN-gamma receptor 1 deficiency, cell surface receptors fail to bind IFN-gamma. J Clin Invest. 2000;105(10):1429-36. doi:10.1172/JCI9166.
17. Jouanguy E, Lamhamedi-Cherradi S, Altare F, et al. Partial interferon-gamma receptor 1 deficiency in a child with tuberculoid bacillus Calmette-Guérin infection and a sibling with clinical tuberculosis. J Clin Invest. 1997;100(11):2658-64. doi:10.1172/JCI119810.
18. Döffinger R, Dupuis S, Picard C, et al. Inherited disorders of IL-12- and IFNgamma-mediated immunity: a molecular genetics update. Mol Immunol. 2002;38(12-13):903-9. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12009568. Accessed May 13, 2014.
~ 91 ~
19. Dorman SE, Picard C, Lammas D, et al. Clinical features of dominant and recessive interferon gamma receptor 1 deficiencies. Lancet. 364(9451):2113-21. doi:10.1016/S0140-6736(04)17552-1.
20. Lawrence T, Puel A, Reichenbach J, et al. Autosomal-dominant primary immunodeficiencies. Curr Opin Hematol. 2005;12(1):22-30. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15604887. Accessed May 13, 2014.
21. Dorman SE, Holland SM. Mutation in the signal-transducing chain of the interferon-gamma receptor and susceptibility to mycobacterial infection. J Clin Invest. 1998;101(11):2364-9. doi:10.1172/JCI2901.
22. Nau GJ, Chupp GL, Emile JF, et al. Osteopontin expression correlates with clinical outcome in patients with mycobacterial infection. Am J Pathol. 2000;157(1):37-42. doi:10.1016/S0002-9440(10)64514-2.
23. Holland SM, Eisenstein EM, Kuhns DB, et al. Treatment of refractory disseminated nontuberculous mycobacterial infection with interferon gamma. A preliminary report. N Engl J Med. 1994;330(19):1348-55. doi:10.1056/NEJM199405123301904.
24. Frucht DM, Holland SM. Defective monocyte costimulation for IFN-gamma production in familial disseminated Mycobacterium avium complex infection: abnormal IL-12 regulation. J Immunol. 1996;157(1):411-6. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8683146. Accessed May 14, 2014.
25. Puel A, Reichenbach J, Bustamante J, et al. The NEMO mutation creating the most-upstream premature stop codon is hypomorphic because of a reinitiation of translation. Am J Hum Genet. 2006;78(4):691-701. doi:10.1086/501532.
26. Ku C-L, Picard C, Erdös M, et al. IRAK4 and NEMO mutations in otherwise healthy children with recurrent invasive pneumococcal disease. J Med Genet. 2007;44(1):16-23. doi:10.1136/jmg.2006.044446.
27. Filipe-Santos O, Bustamante J, Haverkamp MH, et al. X-linked susceptibility to mycobacteria is caused by mutations in NEMO impairing CD40-dependent IL-12 production. J Exp Med. 2006;203(7):1745-59. doi:10.1084/jem.20060085.
28. Dale TC, Imam AM, Kerr IM, Stark GR. Rapid activation by interferon alpha of a latent DNA-binding protein present in the cytoplasm of untreated cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 1989;86(4):1203-7. Available at: http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=286654&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. Accessed May 13, 2014.
~ 92 ~
29. Levy DE, Kessler DS, Pine R, Darnell JE. Cytoplasmic activation of ISGF3, the positive regulator of interferon-alpha-stimulated transcription, reconstituted in vitro. Genes Dev. 1989;3(9):1362-71. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2606351. Accessed May 13, 2014.
30. Van de Veerdonk FL, Plantinga TS, Hoischen A, et al. STAT1 mutations in autosomal dominant chronic mucocutaneous candidiasis. N Engl J Med. 2011;365(1):54-61. doi:10.1056/NEJMoa1100102.
31. Liu L, Okada S, Kong X-F, et al. Gain-of-function human STAT1 mutations impair IL-17 immunity and underlie chronic mucocutaneous candidiasis. J Exp
Med. 2011;208(8):1635-48. doi:10.1084/jem.20110958.
32. Ferwerda B, Ferwerda G, Plantinga TS, et al. Human dectin-1 deficiency and mucocutaneous fungal infections. N Engl J Med. 2009;361(18):1760-7. doi:10.1056/NEJMoa0901053.
33. Glocker E-O, Hennigs A, Nabavi M, et al. A homozygous CARD9 mutation in a family with susceptibility to fungal infections. N Engl J Med. 2009;361(18):1727-35. doi:10.1056/NEJMoa0810719.
34. Smeekens SP, van de Veerdonk FL, Kullberg BJ, Netea MG. Genetic susceptibility to Candida infections. EMBO Mol Med. 2013;5(6):805-13. doi:10.1002/emmm.201201678.
35. Horvath CM. STAT proteins and transcriptional responses to extracellular signals. Trends Biochem Sci. 2000;25(10):496-502. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11050435. Accessed May 18, 2014.
36. Gow NAR, van de Veerdonk FL, Brown AJP, Netea MG. Candida albicans morphogenesis and host defence: discriminating invasion from colonization. Nat Rev Microbiol. 2012;10(2):112-22. doi:10.1038/nrmicro2711.
37. Subramaniam PS, Torres BA, Johnson HM. So many ligands, so few transcription factors: a new paradigm for signaling through the STAT transcription factors. Cytokine. 2001;15(4):175-87. doi:10.1006/cyto.2001.0905.
38. Asao H, Okuyama C, Kumaki S, et al. Cutting edge: the common gamma-chain is an indispensable subunit of the IL-21 receptor complex. J Immunol. 2001;167(1):1-5. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11418623. Accessed May 13, 2014.
39. Sheikh F, Baurin V V, Lewis-Antes A, et al. Cutting edge: IL-26 signals through a novel receptor complex composed of IL-20 receptor 1 and IL-10 receptor 2.
~ 93 ~
J Immunol. 2004;172(4):2006-10. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14764663. Accessed May 13, 2014.
40. Yoshimoto T, Okada K, Morishima N, et al. Induction of IgG2a class switching in B cells by IL-27. J Immunol. 2004;173(4):2479-85. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15294962. Accessed May 13, 2014.
41. Smit LS, Meyer DJ, Billestrup N, Norstedt G, Schwartz J, Carter-Su C. The role of the growth hormone (GH) receptor and JAK1 and JAK2 kinases in the activation of Stats 1, 3, and 5 by GH. Mol Endocrinol. 1996;10(5):519-33. doi:10.1210/mend.10.5.8732683.
42. Guo D, Dunbar JD, Yang CH, Pfeffer LM, Donner DB. Induction of Jak/STAT signaling by activation of the type 1 TNF receptor. J Immunol. 1998;160(6):2742-50. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9510175. Accessed May 13, 2014.
43. Prabhu A, Coutinho E, Srivastava S. The amino-terminal domain of human signal transducers and activators of transcription 1: overexpression, purification and characterization. J Biosci. 2005;30(5):611-8. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16388135. Accessed May 13, 2014.
44. Gough DJ, Sabapathy K, Ko EY-N, et al. A novel c-Jun-dependent signal transduction pathway necessary for the transcriptional activation of interferon gamma response genes. J Biol Chem. 2007;282(2):938-46. doi:10.1074/jbc.M607674200.
45. Pilz A, Ramsauer K, Heidari H, Leitges M, Kovarik P, Decker T. Phosphorylation of the Stat1 transactivating domain is required for the response to type I interferons. EMBO Rep. 2003;4(4):368-73. doi:10.1038/sj.embor.embor802.
46. Weber S, Maass F, Schuemann M, Krause E, Suske G, Bauer U-M. PRMT1-mediated arginine methylation of PIAS1 regulates STAT1 signaling. Genes
Dev. 2009;23(1):118-32. doi:10.1101/gad.489409.
47. Krämer OH, Heinzel T. Phosphorylation-acetylation switch in the regulation of STAT1 signaling. Mol Cell Endocrinol. 2010;315(1-2):40-8. doi:10.1016/j.mce.2009.10.007.
48. Chen X, Vinkemeier U, Zhao Y, Jeruzalmi D, Darnell JE, Kuriyan J. Crystal structure of a tyrosine phosphorylated STAT-1 dimer bound to DNA. Cell. 1998;93(5):827-39. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9630226. Accessed May 13, 2014.
~ 94 ~
49. Mao X, Ren Z, Parker GN, et al. Structural bases of unphosphorylated STAT1 association and receptor binding. Mol Cell. 2005;17(6):761-71. doi:10.1016/j.molcel.2005.02.021.
50. Görlich D, Henklein P, Laskey RA, Hartmann E. A 41 amino acid motif in importin-alpha confers binding to importin-beta and hence transit into the nucleus. EMBO J. 1996;15(8):1810-7. Available at: http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=450097&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. Accessed May 13, 2014.
51. Moroianu J, Blobel G, Radu A. The binding site of karyopherin alpha for karyopherin beta overlaps with a nuclear localization sequence. Proc Natl
Acad Sci U S A. 1996;93(13):6572-6. Available at: http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=39066&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. Accessed May 13, 2014.
52. McBride KM, Banninger G, McDonald C, Reich NC. Regulated nuclear import of the STAT1 transcription factor by direct binding of importin-alpha. EMBO J. 2002;21(7):1754-63. doi:10.1093/emboj/21.7.1754.
53. Meyer T, Marg A, Lemke P, Wiesner B, Vinkemeier U. DNA binding controls inactivation and nuclear accumulation of the transcription factor Stat1. Genes
Dev. 2003;17(16):1992-2005. doi:10.1101/gad.268003.
54. Haspel RL, Darnell JE. A nuclear protein tyrosine phosphatase is required for the inactivation of Stat1. Proc Natl Acad Sci U S A. 1999;96(18):10188-93. Available at: http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=17864&tool=pmcentrez&rendertype=abstract. Accessed May 13, 2014.
55. Stade K, Ford CS, Guthrie C, Weis K. Exportin 1 (Crm1p) is an essential nuclear export factor. Cell. 1997;90(6):1041-50. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9323132. Accessed May 13, 2014.
56. Lödige I, Marg A, Wiesner B, Malecová B, Oelgeschläger T, Vinkemeier U. Nuclear export determines the cytokine sensitivity of STAT transcription factors. J Biol Chem. 2005;280(52):43087-99. doi:10.1074/jbc.M509180200.
57. Braunstein J, Brutsaert S, Olson R, Schindler C. STATs dimerize in the absence of phosphorylation. J Biol Chem. 2003;278(36):34133-40. doi:10.1074/jbc.M304531200.
58. Xu X, Sun YL, Hoey T. Cooperative DNA binding and sequence-selective recognition conferred by the STAT amino-terminal domain. Science.
~ 95 ~
1996;273(5276):794-7. Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8670419. Accessed May 13, 2014.
59. Leonard WJ. Cytokines and immunodeficiency diseases. Nat Rev Immunol. 2001;1(3):200-8. doi:10.1038/35105066.
60. Sharfe N, Nahum A, Newell A, Dadi H, Ngan B, Pereira SL, Herbrick JA, Roifman CM. Fatal combined immunodeficiency associated with heterozygous mutation in STAT1. J Allergy Clin Immunol. 2014 Mar ;133(3):807-17. doi: 10.1016/j.jaci.2013.09.032. Epub 2013 Nov 13.
61. Soltész B1, Tóth B, Shabashova N, Bondarenko A, Okada S, Cypowyj S, Abhyankar A, Csorba G, Taskó S, Sarkadi AK, Méhes L, Rozsíval P, Neumann D, Chernyshova L, Tulassay Z, Puel A, Casanova JL, Sediva A, Litzman J, Maródi L. New and recurrent gain-of-function STAT1 mutations in patients with chronic mucocutaneous candidiasis from Eastern and Central Europe. J Med Genet.
2013 Sep;50(9):567-78. doi: 10.1136/jmedgenet-2013-101570. Epub 2013
May 24.
62. Takezaki S, Yamada M, Kato M, Park MJ, Maruyama K, Yamazaki Y, Chida N, Ohara O, Kobayashi I, Ariga T. Chronic mucocutaneous candidiasis caused by a gain-of-function mutation in the STAT1 DNA-binding domain. J Immunol.
2012 Aug 1;189(3):1521-6. doi: 10.4049/jimmunol.1200926. Epub 2012 Jun
22.
